JP3982463B2

JP3982463B2 - フィールドバス信号伝送システムの端末装置

Info

Publication number: JP3982463B2
Application number: JP2003176890A
Authority: JP
Inventors: 雅巳木代
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2003-06-20
Filing date: 2003-06-20
Publication date: 2007-09-26
Anticipated expiration: 2023-06-20
Also published as: JP2005012680A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、工業計測や、制御等の分野において、伝送路を介して直流電流の供給を受け、さらにこの直流に、信号を重畳させて信号伝送を行うようにした、フィールドバスを用いた伝送システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、工業計測や、制御技術等の分野において、フィールドバスを用いてシステムを構成し、伝送路を介して直流電流を電源電流として供給すると共に、この直流電流に信号を重畳させて信号伝送を行うようにした伝送システムが提案されている。
【０００３】
このような伝送システムにおいては、例えば、図３に示すように、複数の機器１が、伝送路３にマルチドロップ式に接続されて構成されている。そして、伝送路３の両端には、信号の終端のためのターミネータ５が設けられ、信号波形の反射を防ぐと共に、抵抗分により機器１から出力される電流信号を電圧に変換するようになっている。さらに、伝送路３の一端には、各機器１に電源を供給するための直流電源からなるパワーサプライ７、このパワーサプライ７の交流出力インピーダンスを大きくして、伝送路３に交流信号を重畳可能とするためのパワーコンディショナー８が設けられている。前記パワーサプライ７の電源電圧は、フィールドバスの規格で定められており、例えば、foudation fieldbusにおいては、接続される機器の端子間で９〜３２〔Ｖ〕の範囲内と決められている。
【０００４】
そして、信号を送出する機器１は、伝送路３から引き込む電流を、予め定められた波形で変化させることによって、この変化させた電流信号がターミネータＴで電圧信号に変換され、信号送信機器から出力された電流信号に応じた電圧信号振幅の信号が、伝送路３上に発生されて他の機器で受信される。また、信号を送出しない機器１は、他の機器１の信号の伝送を妨げないように、伝送路３から引き込む電流を変化させず、一定値に保つようにしている。（例えば、特許文献１、特許文献２）。
【０００５】
このように、伝送路３を介して、複数の機器１間で通信を行うと共に、伝送路３を介して給電を行うことも可能であることから、配線費用の低減を図ることができるようになっている。
図４は、伝送路３から給電及び信号の授受を行うための、各機器１の伝送処理部の一例を示したものである。
【０００６】
図４に示すように、伝送路３から供給される電流信号は、電流調整用のＰＮＰトランジスタＴ１を介して、機器１の内部回路に供給される。前記電流調整用トランジスタＴ１のベースには、このトランジスタＴ１のベース電流を制御するためのＮＰＮトランジスタＴ２のコレクタ側が接続され、そのエミッタ側は抵抗Ｒ２を介して接地されている。また、トランジスタＴ１のエミッタ側には、抵抗Ｒ１、及びダイオードＤ１、Ｄ２がこの順に直列に接続され、ダイオードＤ２の他端は接地されている。そして、トランジスタＴ２のベースは、抵抗Ｒ１とダイオードＤ１との間に接続され、また、この抵抗Ｒ１とダイオードＤ１との間には、オペアンプＱ１を含んで構成される制御回路９が、抵抗Ｒ３を介して接続されている。
【０００７】
つまり、トランジスタＴ１のベース電流が、トランジスタＴ２により制御されこれによってトランジスタＴ１のコレクタ−エミッタ間を流れる電流が変化して、内部回路へ供給される電流信号が調整される。また、前記制御回路９が、図示しない電流検出抵抗の出力等に基づいてトランジスタＴ２のベース電圧を調整することによって、トランジスタＴ２に供給されるベース電流を調整しトランジスタＴ１のベース電流を調整する。つまり、制御回路９は、非通信時には、内部回路における消費電流が一定となるようにトランジスタＴ２のベース電流を調整することによって、内部回路への直流電流が一定に維持される。また、制御回路９は、通信時には、消費電流が所定の波形で変化するように動作し、これに応じて消費電流が変化するようになっている。
【０００８】
また、伝送システムの起動時には、抵抗Ｒ１によってトランジスタＴ２へベース電流が供給され、これによって、各機器が立ち上がるようになっている。なお、ダイオードＤ１、Ｄ２は、起動時に抵抗Ｒ１を通じて電源電圧が直接オペアンプＱ１に印加されることを回避するため、電圧制限を行うために設けられている。
【０００９】
【特許文献１】
特許第３０２１８０３号明細書
【特許文献２】
特開平６−２３７２５３号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このように、伝送路３から複数の機器に対して給電を行う場合、パワーサプライ７の起動時には、それぞれの機器の突入電流が合計されて大きな値となり、伝送路３がスムーズに立ち上がらない可能性がある。このため、例えば、フィールドバスの規格、foudation fieldbusにおいては、各機器において、起動時の突入電流を一定の消費電流値＋２０〔ｍＡ〕以内に納めるように定めている。
【００１１】
しかしながら、上述のように、従来の伝送処理部においては、内部回路での消費電流に応じた直流電流が流れ込むように構成されているため、突入電流を抑制するための対策が望まれていた。
そこで、この発明は、上記従来の未解決の問題点に着目してなされたものであり、各機器に流れ込む突入電流を制限することの可能なフィールドバス信号伝送システムの端末装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係るフィールドバス信号伝送システムの端末装置は、フィールドバスを介して給電される直流電流の受給量を調整するトランジスタと、前記フィールドバスを介して給電される給電電圧を利用して前記トランジスタに対する制御信号を生成する制御手段と、前記直流電流の受給量を制限する制限手段と、前記給電電圧の変化に伴う前記制御信号の変化を抑制する抑制手段と、を備え、非通信時には所定量の直流電流を受給して動作し、通信時には前記直流電流に通信用信号を重畳させて通信を行うようにしたフィールドバス信号伝送システムの端末装置であって、前記制限手段は、前記トランジスタの直流電流入力側端子に一端が接続される抵抗と、当該抵抗の他端及び前記トランジスタの制御端子間にこれらと並列に接続され且つ前記抵抗の他端及びトランジスタの制御端子間の電圧が所定電圧を越えるとき前記トランジスタの制御端子側への電流の流れを許容する制限用ダイオードとから構成され、前記制御手段は、前記トランジスタの制御端子に接続され且つ当該制御端子への制御量を制御する制御用トランジスタ及びこれと直列に接続される抵抗と、当該制御用トランジスタを制御する制御用トランジスタ制御手段と、前記制御用トランジスタの制御端子に一端が接続され且つ前記制御用トランジスタを過電圧から保護するための保護ダイオードとから構成され、前記抑制手段は、前記制限用ダイオードのカソード側と前記制御用トランジスタの制御端子との間に介挿される定電流化用トランジスタ及びこれと直列に接続される抵抗と、前記定電流化用トランジスタの制御端子及び前記保護ダイオードの他端間にこれらと並列に接続される定電流化用ダイオードと、を備えることを特徴としている。
【００１６】
この請求項１に係る発明では、フィールドバスを介して給電される直流電流の受給量が調整手段によって調整され、非通信時には所定量の直流電流を受給し、通信時には直流電流に通信用信号を重畳させて通信を行うことにより、フィールドバスを介して電流供給及び通信の双方が行われる。このとき、起動時等には、突入電流として大きな電流を引き込む場合があるが、制限手段によって直流電流の受給量が制限されるから、端末装置に流れ込む突入電流量を制限することが可能となる。
【００１９】
また、前記制御手段は、前記フィールドバスを介して給電される給電電圧を利用して前記トランジスタに対する制御信号を生成する。このため、給電電圧が変動した場合には、この影響を受けて制御信号も変動することになるが、この制御信号の変動は抑制手段によって抑制される。したがって、給電電圧の変動に起因して制御信号が変動しこれに応じて、制限手段により制限される前記直流電流の受給量の制限値が変動することが回避される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を説明する。
まず、第１の実施の形態を説明する。なお、伝送システム全体の構成は、上記図３に示す従来と同様であるので、同一部には同一符号を付与しその詳細な説明は省略する。
図１は、本発明を適用した機器１の伝送処理部の一例を示す概略構成図である。
この第１の実施の形態における伝送処理回路は、図４に示す従来の伝送処理回路において、トランジスタＴ１のエミッタ側に抵抗Ｒ４を介挿し、また、この抵抗Ｒ４とトランジスタＴ１のベースとの間にツェナーダイオードＺＤ１を並列に接続し、そのカソード側は、前記抵抗Ｒ４のトランジスタＴ１と接続される側と反対側に接続されている。
【００２１】
ここで、突入電流が生じることによって、制御回路９によってトランジスタＴ２のベース電位が変動し、トランジスタＴ２のコレクタ電流が増加すると、これに伴って、トランジスタＴ１のエミッタ−コレクタ電流も増加することになり、抵抗Ｒ４及びトランジスタＴ１のベース−エミッタ間電圧ＶBEの和が増加することになる。しかしながら、抵抗Ｒ４及びトランジスタＴ１のベース間には、ツェナーダイオードＺＤ１が並列に接続されているから、抵抗Ｒ４及びトランジスタＴ１のベース−エミッタ間電圧ＶBEの和がツェナーダイオードＺＤ１のしきい値を超えた時点で、供給電流は、ツェナーダイオードＺＤ１を介してトランジスタＴ２に流れるようになる。
【００２２】
つまり、ツェナーダイオードＺＤ１によって、抵抗Ｒ４による電圧降下分とトランジスタＴ１のベース及びエミッタ間の電圧ＶBEとの和を制限している。ここで、突入電流Ｉは、ツェナーダイオードＺＤ１の両端の電圧をＶZD1 、抵抗Ｒ４の抵抗値をＲ４とすると、次式（１）で表すことができる。
Ｉ＝（ＶZD1 −ＶBE）／Ｒ４ ……（１）
したがって、突入電流Ｉを制限することができる。
【００２３】
このように、各機器１において、抵抗Ｒ４及びツェナーダイオードＺＤ１を設けることによって、各機器１で生じる突入電流を制限することができるから、伝送システム全体において、各機器１で消費される消費電流を低減することができる。よって、起動時に突入電流が発生するような場合であっても、伝送システムをスムーズに立ち上げることができる。
【００２４】
なお、上記第１の実施の形態においては、抵抗Ｒ４による電圧降下分とトランジスタＴ１のベース及びエミッタ間の電圧ＶBEとの和を制限する素子として、ツェナーダイオードＺＤ１を設けた場合について説明したが、ツェナーダイオードＺＤ１に替えて、直列に接続した複数のダイオードを用いるようにしてもよい。
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。
【００２５】
この第２の実施の形態における伝送処理部は、図２に示すように、図１に示す伝送処理部において、さらに、ツェナーダイオードＺＤ１のカソード側及びトランジスタＴ２のベースとの間に、ＮＰＮトランジスタＴ３及びこれと直列に接続された抵抗Ｒ５とが接続され、抵抗Ｒ５及びトランジスタＴ２のベースの接続点は、ダイオードＤ１及びＤ２を介して接地されている。また、抵抗Ｒ１の前記ツェナーダイオードＺＤ１のカソードと接続される側と反対側には、ツェナーダイオードＺＤ２のカソード側が接続され、アノード側は接地されている。そして、抵抗Ｒ１及びツェナーダイオードＺＤ２との間に前記トランジスタＴ３のベースが接続されている。
【００２６】
つまり、この第２の実施の形態では、上記第１の実施の形態と同様に、トランジスタＴ２によって、電流調整用のトランジスタＴ１のベース電流を調整している。また、抵抗Ｒ４の電圧降下分と、トランジスタＴ１のベース及びエミッタ間電圧ＶBEとの和をツェナーダイオードＺＤ１で制限している。さらに、ツェナーダイオードＺＤ２で、トランジスタＴ３のベース及びエミッタ間電圧ＶBE、抵抗Ｒ５による電圧降下分、ダイオードＤ１、Ｄ２による電圧降下分の和を制限している。
したがって、抵抗Ｒ５を流れる電流値が制限されることになり、抵抗Ｒ５を流れる電流値がその制限値を超える状況下では定電流化されることになる。
【００２７】
ここで、上記第１の実施の形態に示す伝送処理部の場合、トランジスタＴ２のベース及びエミッタ間電圧と抵抗Ｒ２による電圧降下分の和を、ダイオードＤ１及びＤ２によって制限しているため、制御回路９の出力を一定であると仮定すると、トランジスタＴ２のコレクタ電流はほぼ一定となるはずである。しかしながら、パワーサプライ７の電源電圧が変化すると、起動時に抵抗Ｒ１を通じてトランジスタＴ２のベースとダイオードＤ１、Ｄ２に供給される電流値が大きく変化する。この変化により、ダイオードＤ１、Ｄ２の電圧降下分が大きく変動し、これに伴ってトランジスタＴ２のベース電流がさらに変化し、トランジスタＴ２のコレクタ電流も変化することになる。このため、ツェナーダイオードＺＤ１に流れる電流値が変化することになって、ツェナー電圧ＶZD1 が変化し、抑制可能な突入電流の最大値が変化してしまう場合がある。
【００２８】
しかしながら、上述のように、抵抗Ｒ５を流れる電流値を定電流化することによって、ダイオードＤ１、Ｄ２を流れる電流値を、パワーサプライ７の電源電圧が変化したとしても安定させることができる。
したがって、電源電圧の変動に起因して、各機器１に流れ込む突入電流が変化することを回避することができ、このため、突入電流を所定範囲内に納めることができる。
【００２９】
したがって、この場合も上記第１の実施の形態と同等の作用効果を得ることができると共に、電源電圧が変動した場合であっても、確実に突入電流を所定範囲内に納めることができる。よって、より確実に伝送システムをスムーズに立ち上げることができる。
なお、この第２の実施の形態においても、ツェナーダイオードＺＤ２に替えて、直列に接続された複数のダイオードを適用することが可能である。
【００３０】
なお、上記各実施の形態において、トランジスタＴ１が調整手段に対応し、ツェナーダイオードＺＤ１が制限用ダイオードに対応し、抵抗Ｒ４及びツェナーダイオードＺＤ１が制限手段に対応し、トランジスタＴ２が制御用トランジスタに対応し、制御回路９が制御用トランジスタ制御手段に対応し、ダイオードＤ１及びＤ２が保護ダイオードに対応し、トランジスタＴ２、ダイオードＤ１、Ｄ２及び制御回路９が制御手段に対応し、トランジスタＴ３が定電流化用トランジスタに対応し、ツェナーダイオードＺＤ２が定電流化用ダイオードに対応し、トランジスタＴ３、抵抗Ｒ５、ツェナーダイオードＺＤ２が抑制手段に対応している。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１に係るフィールドバス信号伝送システムの端末装置によれば、フィールドバスを介して給電される直流電流の受給量を調整手段によって調整して、フィールドバスを介して電流供給及び通信の双方を行うが、制限手段によって直流電流の受給量を制限するようにしたから、起動時等に、突入電流として大きな電流を引き込む場合等であっても、端末装置に流れ込む突入電流量を制限することができる。
【００３３】
また、フィールドバスを介して給電される給電電圧を利用してトランジスタに対する制御信号を生成するが、給電電圧の変動に起因して制御信号が変動することを抑制手段によって抑制するようにしたから、制限手段により制限される直流電流の受給量をより高精度に制限することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における、機器の伝送処理部の一例を示す回路図である。
【図２】第２の実施の形態における、機器の伝送処理部の一例を示す回路図である。
【図３】フィールドバス信号伝送システムの一例を示す概略構成図である。
【図４】従来の、機器の伝送処理部の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
１機器
３伝送路
５ターミネータ
７パワーサプライ
８パワーコンディショナー
９制御回路

Claims

フィールドバスを介して給電される直流電流の受給量を調整するトランジスタと、
前記フィールドバスを介して給電される給電電圧を利用して前記トランジスタに対する制御信号を生成する制御手段と、
前記直流電流の受給量を制限する制限手段と、
前記給電電圧の変化に伴う前記制御信号の変化を抑制する抑制手段と、を備え、
非通信時には所定量の直流電流を受給して動作し、通信時には前記直流電流に通信用信号を重畳させて通信を行うようにしたフィールドバス信号伝送システムの端末装置であって、
前記制限手段は、前記トランジスタの直流電流入力側端子に一端が接続される抵抗と、
当該抵抗の他端及び前記トランジスタの制御端子間にこれらと並列に接続され且つ前記抵抗の他端及びトランジスタの制御端子間の電圧が所定電圧を越えるとき前記トランジスタの制御端子側への電流の流れを許容する制限用ダイオードとから構成され、
前記制御手段は、前記トランジスタの制御端子に接続され且つ当該制御端子への制御量を制御する制御用トランジスタ及びこれと直列に接続される抵抗と、
当該制御用トランジスタを制御する制御用トランジスタ制御手段と、
前記制御用トランジスタの制御端子に一端が接続され且つ前記制御用トランジスタを過電圧から保護するための保護ダイオードとから構成され、
前記抑制手段は、前記制限用ダイオードのカソード側と前記制御用トランジスタの制御端子との間に介挿される定電流化用トランジスタ及びこれと直列に接続される抵抗と、前記定電流化用トランジスタの制御端子及び前記保護ダイオードの他端間にこれらと並列に接続される定電流化用ダイオードと、を備えることを特徴とするフィールドバス信号伝送システムの端末装置。