JPS5849918B2 - ２ センシキヘンカンゾウフクキ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電力の供給と信号電流の伝送を同一線路を用い
て伝送するに好適な２線式変換増幅器に関する。

２線式変換増幅器は工業プロセスにおける各種工業計測
値を検出器でもって検出し、その検出信号を電流に変換
して遠隔地に設けられた受信器に伝送するために用いら
れるものである。

そしてこの２線式変換増幅器は電源供給用ケーブルと信
号伝送用ケーブルのそれぞれが不要であり、電源と信号
は２芯ケーブル一本で共用される。

したがってケープは大巾に節約されることになるため
２線式変換増幅器は広く工業計測に用いられている。

近年、半導体技術の発達によって直流増巾器の性能が向
上し、比較的出力が犬なる検出器であっても集積化され
た直流増幅器を利用して２線式変換増幅器が構或できる
ようになった。

しかしながら集積化された直流増幅器は一般に差動増幅
回路が用いられているので、例えばこの増幅器には正負
の２つの電源が必要である。

したがって２線式変換増幅器に上記した差動増幅回路を
用いるためには工夫が必要である。

第１図は従来よく用いられている２線式変換増幅器の回
路図である。

ただし本図は半導体ストレンゲージを用いた伝送器の増
幅回路を示している。

第１図において、測定回路１ｏは歪ゲージ１１〜１４で
構或されるブリッジと抵抗１５とから放る。

これは外圧によって生ずる歪の大きさを歪ゲージ１１〜
１４の抵抗変化に変換し、さらにこの抵抗変化を上記ブ
リッジのｂ，ｃ間に生ずる電圧に変換するものである。

定電圧回路２ｏは上記歪ゲージでもって構威されたブリ
ッジに一定電圧を印加するためのものである。

増幅回路３ｏは差動増幅器３０１と出力トランジスタ３
０２から成り、上記差動増幅器３０１の出力によって出
力トランジスタ３０２のコレクターエミツタ間に流れる
電流が制御される。

定電流回路４０は測定回路１０、定電圧回路２０、およ
び差動増幅回路３０１の消費電流を第１図に示すｅ，ｆ
間にかかる電圧に無関係に常に一定となるようにするた
めのものである。

また５０は受信装置であり、これは受信抵抗５１と直流
電源５２の直列回路からなり、上記受信装置５０の直流
電源は前記した１０〜４０で構成される２線式変換増幅
器の電源となる。

次に第１図に示す回路の動作を説明する。

今、外圧により、歪ゲージ１２．１４の抵抗が増大し、
反対に歪ゲージＩＬ１４の抵抗が減少したものとすると
、ブリッジの平衡がくずれ第１図のｂ，Ｃ間に電位差が
生ずる。

これら異なる２つの電圧を差動増幅器３０１に導入する
と、その出力は出力トランジスタ３０２を順方向にバイ
アスさせるため、電流Ｉｘは増加する。

一方上記電流が増加すると抵抗１５による電圧降下が増
大し、それによりこの電圧降下はｂ，ｃ間の電位差が零
となるように働らく。

以上のごとき動作が一瞬のうちに行われ、ｂ，Ｃ間電圧
がほぼ零となるような電流Ｉｘが出力トランジスタ３０
２に流れ、その点で回路は安定することになる。

一方差動増幅器３０１の電源は第１図のａまたはｇ点か
ら正電圧を取りｄ点から負電圧を取ればｂ，ｃ点の電圧
はほぼ上記正電圧と上記負電圧の間の中間位置にある。

即ち上記した各点の電圧をそれぞれＶａ，Ｖｄ，Ｖｂ，
ＶｃとすればＶ ａ ＞ Ｖ ｃ 〉Ｖ ｂ ＞ Ｖ
ｄとなり、これは差動増幅器の一つの動作条件である。

しかしながら、上記した２線式変換増幅器は周囲温度の
変化が少ない場所に設置される時は良好な作動を行うが
、温度変化が大きいと同一歪に対する信号電流の大きさ
が異なる大きな欠点がある。

この原因はブリッジを構或する歪ゲージの温度係数と、
抵抗１５の温度係数が異なり、しかも抵抗１５の両端に
発生する電圧をブリッジの片側に帰還しているためであ
る。

すなわち第１図に示す２線式変換増幅器は測定回路の歪
ゲージが同一歪であってもその時の温度が異なれは上記
した両者の温度係数の違いから抵抗１５に生ずる電圧降
下が異なり、それによって信号電流に誤差が生ずること
になる。

この問題を解決するために、前記した抵抗１５の温度変
化によって生ずる抵抗の変化を補償するための方法が考
えられているが完全にこれを補償するまでには至ってい
ない。

次に、もう一つの問題として差動増幅器入力のオフセッ
ト電圧の温度係数の相異が問題となる。

すなわち、本来差動増幅器の２つの入力端子（非反転入
力端子■、反転入力端子ｅ）間の電圧が零の時、該増幅
器の出力は零であるべきものが周囲温度の変化によって
上記２端子間にオフセット電圧が生じ、かつそのオフセ
ット電圧は差動増幅器個々について一定してるものでは
ない。

このことは２線式変換増幅器を製作するに当り、上記増
幅器の精度を所定の精度内に納めるためには多数ある差
動増幅器の中から所定の範囲内にあるオフセット電圧を
有する差動増幅器を選び出すことになり、その選別時間
、および手間は無１駄となり、かつ選別された差動増幅
器を購入することは高価となる。

例えばこのことを一実施例について数値的に示せば入力
５０ｍｖ定格でｌ％／／１００℃以内に温度変化によっ
て生ずる誤差を納めたい時は上記オフセット電圧の温度
係数が５〜１０μｖ／’Ｃ以下の差動増幅器を使用しな
ければならない問題が生ずる。

今迄の説明は測定回路の出力が抵抗変化を電圧変化に変
換した場合について説明したが、上記出力が例えば熱電
対のごとく起電力などの形で得られる場合がある。

この場合は第２図のごとき測定回路が必要である。

（同図に記したａ − ｆまでの各記号は第１図の記号
に対応する）。

すなわち抵抗１０４〜１０７より構成されるブリッジに
熱電対１８が図のごとく接続された場合、温度の影響で
ブリッジを構成する抵抗１０４〜１０７および抵抗１５
には数ｐｐｍ程度の極めて安定性の高い、かつ精度の高
い抵抗が必要である。

したがって第２図に示すごとき測定回路は実用性がない
ものと言える。

なお、抵抗１５は第１図の抵抗１５に対応するものであ
る。

本発明の目的は上記した従来技術の欠点をなくし、入力
信号を安定した電流信号に変換し得る２線式変換増幅器
を提供するにある。

本発明は、上記目的を達成するために次のように構成し
たことを特徴とする。

まず本発明に係る２線式変換増幅器は、例えば、ブリッ
ジ回路の不平衡電圧の如く２つの信号を出力する測定回
路と、この２つの信号を増幅するための一対の差動増幅
器を有する。

そして、この一対の差動増幅器の出力信号によって制御
される一対の電流制御素子を有し、各電流制御素子は、
抵抗を介して直列に接続され電流制（財）回路を構威し
ている。

更にこの電流制御回路には一方向に流れる電流を供給す
るための直流電源が直列に接続されている。

また上記一対の差動増幅器の他方の入力端子には、上記
抵抗に生じる電圧が帰還される構成となっている。

以上の構成により、本発明は、２つの信号の差電圧を増
幅すると共に、増幅された差電圧を電流に変換して伝送
することを特徴とするものである。

第３図は本発明からなる２線式変換増幅回路の一実症例
である。

第３図において測定回路１０は４個の歪ゲージ１１〜１
４からなり、ブリッジを構威している。

定電圧回路２０は定電圧ダイオード２１を用い ａ，ｄ
間の電圧が一定になるように制御される。

これは電界効果トランジスタ４１のゲードとソースを接
続した定電流回路４０により供給電圧にかかわらずほぼ
一定の電流が与えられている。

増幅回路３０は２ヶの差動増幅器３１および３８と、ｎ
ｐｎトランジスタ３２３および３２４と、ｐｎｐ トラ
ンジスタ３７１および３７２と、４個の抵抗３３〜３６
から構成されている。

なお、本図はｎｐｎおよびｐｎｐトランジスタをそれぞ
れダーリントン接続している例を示している。

また上記２つの差動増幅器３１および３８の電源端子は
第３図の如くａおよびｄ点の電圧が供給されている。

５０は受信装置で受信抵抗５１と直流電源５２からなる
。

以上説明したごとく、１０〜４０迄の構戒は２線式変換
増幅器を構或し、この部分は例えば工業計測量を電流信
号に変換する所である。

そして受信装置５０は電源と受信抵抗例えば調節計ある
いは指示計等の内部抵抗を示している。

次に第４図を用いて動作を説明する。

今、説明の便宜のため、抵抗３４および３５はそれぞれ
２分割し、抵抗３４１ ，３４２および３５１ ，３５
２として示し、またｂ，ｃ間にかかる電圧は２つの信号
電圧０１と０２として分けて示している。

このようにすれは、図の如く一点鎖線ＡＢを弓けば上下
対称の回路図となり、今上記鎖線ＡＢより上半分の動作
について説明する。

信号電圧０１の電圧△Ｅｉ／２が差動増幅器３１の（田
端子（非反転入力端子）に入り、上記差動増幅器３１の
出力はその後段のダーリントン接続されたトランジスタ
３２３のベースを，駆動する。

今、差動増幅器３１の（田端子より（→端子（反転入力
端子）の電圧が低い時にはトランジスタ３２３のベース
には正電圧が加わり、それによって図のｅ，ｈ方向の電
流が増加する。

そして、この電流によって抵抗３５１の両端に電位差か
生ずる。

（トランジスタ３２４のエミッタ側の電位の方がｈ点の
電位より高い）したがって上記エミック側の電位は抵抗
３３によって差動増幅器３１の（→端子側に帰還されて
いるため上記（→端子の電位は上昇する。

なお逆の場合は（＠端子の電位は減少する。このように
上記抵抗３３によって帰還が行われているので、上述し
た上半分の回路は上記電流の増加によって一瞬のうちに
抵抗３４１に加わる両端の電圧は信号電圧０１に等しく
なる。

なおトランジスタはダーリントン接続されているので電
流増幅率は極めて犬であるからｅ点から流入する電流は
上記信号電圧０１に比例することになる。

下半分の回路は上半分の回路と同様に動作するが電流の
流れる方向は図面では上方から下方へ流れる。

今抵抗３５１（以下単に抵抗のことをＲと記す）とＲ３
５２は等しく、以下同様にＲ３ ４ １ ＝Ｒ３４２、
Ｒ３３＝Ｒ３６なる条件が戊立しているとすると、Ｒ３
４１とＲ３４２、Ｒ３３とＲ３６、Ｒ３５１とＲ３５２
を流れる電流は等しくなるから、この回路は一点鎖線Ａ
Ｂの部分において上下に分離しないで、互いに図の如く
接続しても動作し、ｂｃ間に与えられる信号電圧に比例
する電流Ｉｘがｅｆ間を流れる。

尚、第４図のＡ，Ｂは、動作説明の便宜のために設けた
仮想接地点であり、差動増幅器３１．３８が入力信号Ｊ
Ｅ，の半分ずつを増幅すると仮定したものである。

しかし、実際は差動増幅器３Ｌ３８が入力信号ＡＥ，の
半分ずつを増幅しなくても、２つの差動増幅器で入力信
号ＪＥ１を増幅すれはよく、仮想接地点は中点に限らず
任意の点がとりえる。

したがって、上記条件は必ずしも成立している必要６ま
ない。

差動増幅器３１ ．３８の入力抵抗および電圧増幅率が
十分高けれは、回路は負帰還がかかつているので、差動
増幅器３１人力端子間（田，（→の電圧は実際上は零と
なる。

このことは差動増幅器３８においても同様である。

したがって第３図の抵抗３４の両端には、ｂｃ間電圧と
等しい電圧△Ｅｉが加わることになる。

そして差動増幅器の入力端子に流れ込む電流は無視でき
るから、抵抗３４に流れる電流を■Ｆとすれば、△Ｅｉ
＝■Ｆ−Ｒ３４が成立する。

抵抗３３，３４および３６は直列接続されているので、
やはり■Ｆが流れている。

抵抗３５に加わっている電圧は、■Ｆ・（ Ｒ３ ３＋
Ｒ．３ ４＋Ｒ３ ６ ）である。

トランジスタ３２３および３７２のベース電流は極めて
小であるからｅｆ間を流れる電流Ｉｘは 以上、ブリッジの不平衡電圧ＪＥ，が差動増幅器の一方
の入力側に入り、出力のフィードバックをブリッジまで
はかえさす差動増幅器のもう一方の入力１則にかけるこ
とにより電流信号に直接変換しているが、差動増幅器３
１ ，３８は１電源で動作できなければならない。

差動増幅器３１ ．３８の電源は、第３図に示すように
歪ゲージブリッジの電源と共通となっている。

ａ，ｂ，ｃおよびｄ点の電位をそれぞれＶａ，ｖｂ，Ｖ
ｃ，Ｖｄとすれは、Ｖ ａ ＞ Ｖ ｂ ＞ ， Ｖ
ｃ ＞ Ｖ ｄであるから上記したＶｂ，Ｖｃは何れも
差動増幅器３１ ．３８の増幅町能な入力電圧範囲内に
ある。

トランジスタ３２４のエミツタの電位は増幅回路３０が
飽和していなければ、ｂ端子よりＩｐＸＲ３３Ｒ３３ すなわち△ＥｉＸ だけ高電位にあり、このＲ３
４ とき差動増幅器３１の出力端子は例えはダーリントン接
続したトランジスタにシリコントランジスタを用いた場
合さらに約１．２■高い。

この電位がａ点の電位より多少低ければ、差動増幅器３
１は飽和せず、正常に動作する。

Ｒ３６ 差動増幅器３８ではＣ点の電位より△ＥｉＸ−Ｒ３４ に約１．２■加えた電圧分だけその出力端子が低い電位
で動作するから、この電位がｄ点の電位より多少高けれ
ばよい。

この条件は、ｂ，ｃ点の電圧がａ，ｄ間に加わっている
電圧の約Σであるから容易に満足させることができ、し
たがって差動増幅器３１，３８は一電源で動作する。

本発明の実施例によれば、増幅回路３０に与えられる入
力電圧は直接的に電流に変換されるから、従来例の如く
ブリッジのインピーダンスの変化には無関係に正確に入
力電圧に比例した直線性の良好な％ｆ’ｌＥが容易に得
られる。

増幅回路の入力に対する制約は、差動増幅器の動作電圧
範囲内であればｂ点あるいはＣ点の電圧が変動しても影
響を実際上受けることなく入力電圧のみを増幅すること
ができるから簡単なバイアス回路をもつ測定回路を使用
して、ブリッジの不平衡電圧のみならず起電力、抵抗変
化などの形で得られる被測定量を２線式電流信号に変換
できる。

第３図、第４図に示す増幅回路の構成は対称形をしてお
り、２個の差動増幅器は差動的に動作しているので、２
個の差動増幅器の特性を揃えることにより、温度係数あ
るいは入力オフセット電圧を相殺することも可能である
。

例えば第５図は集積化された差動増幅器の入力オフセッ
ト電圧の温度係数（μｖ ／ ’Ｃ ）に対する分布図
を示すものである。

なお縦軸は上記差動増幅器の個数を示す。

一般に２線式変換増幅器はその入力信号が数１０ｍＶで
ある時、精度的に言って差動増幅器の入力オフセット電
圧の温度係数が士数μｖ／℃以下でなければ実用上支障
があるとされている。

このことは第５図に示す斜線を施こした部分、即ち入力
オフセット電圧の温度係数が■の範囲内にあるもののみ
を多数の中から選別する必要を意味する。

しかし従来装置における差動増幅器を選別するための歩
留は約３５％程度で非常に低いものであった。

これに対して本発明によれば上記入力オフセット電圧は
単にその温度係数を揃えさえすれは互いに相殺されるた
め、温度変化によって生ずる誤差は非常に少なくなる。

しかも従来装置に見られるように限定された温度係数の
範囲にある差動増幅器を選別する必要がなく第５図に示
されるＣの範囲の温度係数を有するものが殆んど全数（
歩留は約９５％）使用し得ることになる。

したがって本発明によれば上記した選別のロスがなく、
入手が容易な集積化された差動増幅器を用いることによ
り、より低レベルの信号まで安定して増幅することかで
きるので、測定呵能な範囲を拡大させることが呵能とな
った。

また従来装置にある帰還抵抗１５が不要であるから、こ
の部分における電圧降下分だけ変換増幅器として動作呵
能な電圧範囲を低い方へ拡大でき低電圧動作が要求され
る本質安全防爆システムあるいは停電時のバッテリーバ
ックアップを考慮する必要があるシステム等においても
より犬なる負荷を接続することができる。

本発明からなる２線式変換増幅器を用いることにより測
定回路１０には種々なものを採用することができる。

例えば第６図は熱電対を検出器とした場合の測定回路の
例である。

バイアス抵抗１６．１７はｃｄ間に増幅回路の動作呵能
な電圧を与えるためのものである。

第７図は、例えば濃淡電池１９の起電力と、基準電圧と
の差を変換増幅するための測定回路で、ゼロ点調整抵抗
１０４により基準電圧を変えることができる。

第８図は可変抵抗１０２の抵抗値を測定するための測定
回路で、定電流源１０１と、バイアス抵抗１０３が、町
変抵抗１０２に直列接続される。

第８図の測定回路を用いてたとえば町変抵抗１０２の軸
を、浮子と連動させれば、浮子式液面計を構戒できる。

なお第６図〜８図において、測定回路と他の部分の接続
は３図に示した実症例と全く同じであるので省略してあ
る。

以上のように、本発明によれば検出器に応じて測定回路
のみを変更するだけで種々の検出器から得られる測定量
を容易に２線式信号に変換できることが明らかである。

なお、上記した変換増幅器は、測定回路以外は共通化で
きるので、保守上あるいは製作上多犬の経済的効果があ
るのはもちろんである。

第３図に示している抵抗３３〜３６はその内の抵抗３５
の両端に生ずる電圧を２つの差動増幅器のそれぞれ一方
の入力端子に帰還して、上記差動増幅器が定常状態で作
動している時、常に前記した差動増幅器の（ホ）端子と
（一端子との電位か等しくなるように構或されているも
のである。

そしてこの構或は下記に示すごとく種々な構或が考えら
れまたトランジスタの種類並びに差動増幅器の入力信号
の導入の仕方によって第３図に示す接続方法以外の変形
も考えられる。

第９図〜１１図は、第３図に示した実症例の増幅回路３
０と等価な％性をもつ回路である。

なおｂ−ｆは実施例の同記号の点に対応する。

第９図はｎｐｎ ｝ランジスタのみで増幅回路ヲ構或し
たもので、差動増幅器３８１の（田端子、（一端子を抵
抗３４、点Ｃにそれぞれ接続して、トランジスタ３７３
との糺合せて負帰還となるようにする。

第１０図は、差動増幅器３１１，３８１の（−）端子に
それぞれｂおよびＣが接続されるよう構成した例である
。

第１１図は抵抗３３，３５，３６を省略した例で、この
場合抵抗３４にはｂｃ間の入力電圧と同じ電圧が加わる
ことになる。

第９図〜１１図において各トランジスタはダーリントン
接続したものと等価的なｎｐｎ形あるいはｐｎｐ形トラ
ンジスタであればよい。

第１２図はトランジスタの代わりに電界効果形トランジ
スタを用いた構成例である。

第１３図は本発明に基すいた応用例を示す図である。

本図は２つの測定回路１０Ａ，ＩＯＢと２つの増幅回路
３０Ａ，３０Ｂとをそれぞれ図示のごとく構成したもの
である。

このようにすれは測定回路から得られる信号の和あるい
は差に比例するような電流信号を得ることができる。

なお本図では測定回路と増幅回路をそれぞれ２台用いた
場合について示しているが、上記これらの回路は必ずし
も２台に限定するものではない。

以上、本発明によって、この２線式変換増幅器は安定し
た４１１Ｅを得ることが町能となる。

さらに同−２線式変換増幅器で半導体ストレンゲージ以
外の別な検出装置にも接続することができ、これによっ
て生産性の向上が計れることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の２線式変換増幅器の一例を示す図、第２
図は第１図の応用回路例、第３図は本発明からなる２線
式変換増幅器の一実症例を示す図第４図は第３図の説明
図、第５図はドリフト電圧の温度係数を示すグラフ、第
６図〜８図は測定回路の応用例を示す図、第９図〜１２
図は増幅回路の変形例を示す図、第１３図は本発明から
なる２線式変換増幅器の別の応用例を示す図である。 符号の説明、１０・・・・・・測定回路、２０・・・・
・・定電圧回路、３０・・・・・・増幅回路、３Ｌ３８
・・・・・・差動増幅器、３３，３６・・・・・・帰還
回路としての抵抗、４０・・・・・・定電流回路、５０
・・・・・・受信装置、５１・・・・・・受信抵抗、５
２・・・・・・直流電源。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 人力信号の変動を電流に変換し受信装置に伝達する
   ２線式変換増幅器において、ブリッジ回路の不平衡直流
   電圧を出力する正，負の２つの出力端子を有する測定回
   路と、前記正の出力端子に一方の入力端子が接続され、
   前記ブリッジ回路の駆動電源と同一電源によって駆動さ
   れる第１の差動増幅器と、前記測定回路の負の出力端子
   に一方の入力端子が接続され、前記第１の差動増幅器と
   同一電源によって１駆動されて前記第１の差動増幅器と
   近似した温度係数を有する第２の差動増幅器と前記電源
   の正側より低電位となる前記第１の差動増幅器の出力端
   子に制御入力端子が接続された第１の電流制御素子と、
   前記電源の負側より高電位となる前記第２の差動増幅器
   の出力端子に制（財）入力端子が接続された第２の電流
   制御素子と、前記第１，第２の電流制御素子間に直列接
   続される抵抗と、この抵抗の両端と前記第１，第２の差
   動増幅器の他方の入力端子との間にそれぞれ接続された
   ２つの帰還回路と、前記第１の電流制御素子、抵抗、お
   よび第２の電流制御素子の順に直列接続された両端を受
   信装置の接続された２線に接続した構威を特徴とする２
   線式変換増幅器。