專(zhuān)利名稱(chēng)：一種壓降自動(dòng)調(diào)整的串聯(lián)回路取電電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中取電電路，特別涉及一種兩線(xiàn)制串聯(lián)分壓 儀表、設(shè)備的取電電路。
背景技術(shù)：
工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中通常采用兩線(xiàn)制4 20mA回路方式，既傳輸測(cè)量/控制信 號(hào)，又同時(shí)為現(xiàn)場(chǎng)儀表提供電能。4 20mA回路中通常包括一個(gè)24V電源、一個(gè)產(chǎn)生4 20mA信號(hào)的高阻設(shè)備(如變送器、AO型控制器等)，以及其他串聯(lián)在回路中的低阻設(shè)備(如 負(fù)載電阻、執(zhí)行器、指示表等)。通常由變送器構(gòu)成的4 20mA回路如圖1所示。由于回路中所有串聯(lián)設(shè)備的電源都來(lái)自于單一的24V，為保證所有儀表正常工作， 期望回路中串聯(lián)設(shè)備的壓降足夠低，如模擬指針式電流表的串聯(lián)壓降低于0. 7V。但隨著這 些串聯(lián)型儀表或設(shè)備的數(shù)字化，其功耗要求越來(lái)越大，因此將消耗更多的回路壓降，目的是 在小于4mA的低電流條件確保回路串聯(lián)儀表/設(shè)備獲得足夠的電能，以維持其正常工作。這些串聯(lián)型儀表或設(shè)備通常利用穩(wěn)壓管串聯(lián)在回路中，獲得固定的壓降并作為內(nèi) 部系統(tǒng)的電源，如圖2所示。根據(jù)內(nèi)部的總功耗需求，計(jì)算小于4mA條件下所需壓降，即作 為最終設(shè)計(jì)的固定壓降值。該方案的缺點(diǎn)是當(dāng)回路電流加大后，由于串聯(lián)壓降仍是定值，因 此串聯(lián)設(shè)備將從回路中獲得額外的能量，這些能量只能被穩(wěn)壓管白白浪費(fèi)掉。如果串聯(lián)設(shè) 備的功耗要求較大，則設(shè)計(jì)的串聯(lián)壓降也需要很大，容易導(dǎo)致回路工作的不正常。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)現(xiàn)在串聯(lián)型儀表或設(shè)備的功耗要求越來(lái)越大，容易導(dǎo)致回路工作不 正常的問(wèn)題，提出了一種壓降自動(dòng)調(diào)整的串聯(lián)回路取電電路，可根據(jù)回路電流的大小動(dòng)態(tài) 調(diào)整串聯(lián)壓降，以實(shí)現(xiàn)最小的回路壓降損失，保證回路的正常工作。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種壓降自動(dòng)調(diào)整的串聯(lián)回路取電電路，包括依次串聯(lián)的 24V電源、串聯(lián)型儀表設(shè)備、變送器、負(fù)載電阻，串聯(lián)型儀表設(shè)備包括回路取電電路、DC/DC 模塊及內(nèi)部電路，所述回路取電電路中串聯(lián)一采樣電阻，采樣電阻上電壓信號(hào)送入電壓調(diào) 整網(wǎng)絡(luò)，電壓調(diào)整網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)取電電路中串聯(lián)在回路上晶體管的導(dǎo)通和截止。所述電壓調(diào)整網(wǎng)絡(luò)包括運(yùn)放、參考電壓源和用于電壓調(diào)節(jié)兩串聯(lián)電阻，參考電壓 源接運(yùn)放比較負(fù)極，采樣電阻接運(yùn)放比較負(fù)極，所述回路取電電源經(jīng)過(guò)用于電壓調(diào)節(jié)兩串 聯(lián)電阻分壓后接運(yùn)放比較正極，運(yùn)放輸出為電壓調(diào)整網(wǎng)絡(luò)輸出。所述電壓調(diào)整網(wǎng)絡(luò)包括同相電壓跟隨放大器、運(yùn)放、參考電壓源和用于電壓調(diào)節(jié) 兩串聯(lián)電阻，參考電壓源接運(yùn)放比較負(fù)極，采樣電阻接同相電壓跟隨放大器輸入正極，經(jīng)同 相電壓跟隨放大器信號(hào)放大后接運(yùn)放比較負(fù)極，所述回路取電電源經(jīng)過(guò)用于電壓調(diào)節(jié)兩串 聯(lián)電阻分壓后接運(yùn)放比較正極，運(yùn)放輸出為電壓調(diào)整網(wǎng)絡(luò)輸出。所述電壓調(diào)整網(wǎng)絡(luò)包括反相放大電路、運(yùn)放、參考電壓源和用于電壓調(diào)節(jié)兩串聯(lián) 電阻，所述回路取電電源經(jīng)過(guò)用于電壓調(diào)節(jié)兩串聯(lián)電阻分壓后接運(yùn)放比較正極，參考電壓
3源接運(yùn)放比較負(fù)極，采樣電阻接反相放大電路負(fù)極，反相放大電路正極接地，反相放大電路 輸出接運(yùn)放比較正極，運(yùn)放輸出為電壓調(diào)整網(wǎng)絡(luò)輸出。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明壓降自動(dòng)調(diào)整的串聯(lián)回路取電電路，電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn) 單，壓降范圍通過(guò)電路參數(shù)的選擇可任意調(diào)整，并且適用于所有串聯(lián)型回路取電儀表和設(shè) 備，具有較廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)由變送器構(gòu)成的4 20mA回路圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)基于穩(wěn)壓管的串聯(lián)回路取電示意圖；圖3為本發(fā)明壓降自動(dòng)調(diào)整的串聯(lián)回路取電電路原理框圖；圖4為本發(fā)明壓降自動(dòng)調(diào)整的串聯(lián)回路取電電路原理實(shí)現(xiàn)圖；圖5為本發(fā)明壓降自動(dòng)調(diào)整的串聯(lián)回路取電電路實(shí)例一電路圖；圖6為本發(fā)明壓降自動(dòng)調(diào)整的串聯(lián)回路取電電路實(shí)例二電路圖；圖7為本發(fā)明壓降自動(dòng)調(diào)整的串聯(lián)回路取電電路實(shí)例二帶參數(shù)電路圖。
具體實(shí)施例方式圖1所示的由變送器構(gòu)成的4 20mA回路連接圖，通常包括一個(gè)24V電源101、 一個(gè)過(guò)程測(cè)量用變送器103、負(fù)載電阻104和其他串聯(lián)型儀表/設(shè)備102。電源101為整個(gè) 回路提供電能；變送器103根據(jù)測(cè)量結(jié)果調(diào)節(jié)回路電流在4 20mA范圍內(nèi)變化；負(fù)載電阻 104用于電流采樣，以及滿(mǎn)足智能儀表的通信需求；其他串聯(lián)型儀表/設(shè)備102用于回路的 輔助功能，如電流指示表、記錄儀、數(shù)字通信等。圖2所示電路，是目前使用最廣泛的串聯(lián)型回路取電電路。串聯(lián)型儀表/設(shè)備102 通過(guò)內(nèi)部的穩(wěn)壓管201串聯(lián)在回路中，獲得固定的回路壓降，并提供給內(nèi)部電路203(通常 利用DC/DC模塊202調(diào)整到需要的內(nèi)部工作電壓)。為保證小于4mA的條件下儀表/設(shè)備 仍能正常工作，需要設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓管201電壓參數(shù)都較大，使得能量利用不充分，甚至因?yàn)榇?聯(lián)壓降過(guò)大導(dǎo)致回路電壓不夠。圖3所示本發(fā)明壓降自動(dòng)調(diào)整的串聯(lián)回路取電電路原理框圖，串聯(lián)型儀表/設(shè)備 102內(nèi)部包含一個(gè)小阻值的電阻301作為采樣電阻，用于回路4 20mA電流的檢測(cè)。通過(guò)采 樣電阻301兩端的電壓，可以獲得回路電流的大小。將回路電流采樣信息反饋給電壓調(diào)整 網(wǎng)絡(luò)302，并驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)串聯(lián)在回路中晶體管303的導(dǎo)通壓降，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)回路壓降的調(diào)節(jié)。 根據(jù)內(nèi)部電路要求，可通過(guò)DC/DC模塊304進(jìn)行內(nèi)部電壓的調(diào)整。圖4是本發(fā)明壓降自動(dòng)調(diào)整的串聯(lián)回路取電電路原理實(shí)現(xiàn)圖。圖3中的電壓調(diào)整 網(wǎng)絡(luò)302由運(yùn)放402、參考電壓源403和電壓調(diào)節(jié)用電阻405、406(R1、R2)構(gòu)成。回路電流通 過(guò)電阻404(R0)采樣，并連接到運(yùn)放402的反相輸入端。電路達(dá)到平衡后，串聯(lián)電源壓降Vin 與參考電壓Vref以及回路測(cè)量電壓Vf之間的關(guān)系見(jiàn)式(1) =Vin= (1+R2/R1)*(Vref+Vf)。由于回路測(cè)量電壓Vf與回路電流Iltrap成反比例關(guān)系，即Vf = -Iloop^RO,因此串聯(lián) 電源壓降Vin與回路電流I1top的關(guān)系見(jiàn)式(2) :Vin = (1+R2/R1) * (Vref-Iloop^RO)。從式⑵可以看出，電源壓降Vin與回路電流I1top成反比例關(guān)系，即隨著回路電流 I1top的增大，串聯(lián)電源壓降Vin會(huì)隨之減小。通過(guò)調(diào)節(jié)電阻R1、R2、R0以及參考電壓Vref，可以實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電源壓降Vin在需要的范圍內(nèi)變化。原理實(shí)現(xiàn)圖由于回路電流采樣電阻RO的取值比較小，反饋電壓Vf的范圍也比較 小，最終串聯(lián)電源壓降Vin的可調(diào)范圍也較小。圖5所示本發(fā)明壓降自動(dòng)調(diào)整的串聯(lián)回路取電電路實(shí)例一電路圖。將回路測(cè) 量電壓Vf經(jīng)過(guò)由運(yùn)放505和外圍電阻508 510 (R5、R4、R3)組成的同相電壓跟隨放大 器，可實(shí)現(xiàn)Vf的放大，即Vfb = (l+R4/R5)*Vf。此時(shí)式(2)將變?yōu)槭?3) =Vin = (1+R2/ Rl)* (Vref-Ilrap* (1+R4/R5) *R0)，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻R4和R5，可實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電源壓降Vin較寬的
調(diào)整范圍。圖6所示本發(fā)明壓降自動(dòng)調(diào)整的串聯(lián)回路取電電路實(shí)例二電路圖。通過(guò)由運(yùn)放 601及外圍電阻602 604 (R3 R5)構(gòu)成的反相放大電路，同樣可以對(duì)回路測(cè)量電壓Vf進(jìn) 行放大，并反相。經(jīng)過(guò)反相放大后的反饋電壓Vfb與回路電流Iltrap之間的關(guān)系見(jiàn)式(4) :VFB =I-jroMRVRS)。由于Vfb與I1top已經(jīng)成為正比例關(guān)系，因此反饋電壓Vfb接入到調(diào)整用運(yùn)放608的 同相端，此時(shí)串聯(lián)壓降Vin與參考電壓Vref以及回路測(cè)量反饋電壓Vfb之間的關(guān)系見(jiàn)式
(5)=Vin = Vref* (1+R2/R1+R2/R3)-VFB* (R2/R3)將式(4)代入式(5)，可以得到圖6所示實(shí)現(xiàn)電路中Vin與Iltrap的關(guān)系，見(jiàn)式(6) Vin = Vref* (1+R2/R1+R2/R3)-Iltx^RO* (R4/R5)*(R2/R3)從式(6)可以看出，Vin隨Iltrap增大而減小，并且通過(guò)電阻RO R5以及參考電壓 Vref，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)串聯(lián)電源壓降Vin范圍的調(diào)節(jié)。如圖7為本發(fā)明壓降自動(dòng)調(diào)整的串聯(lián)回路取電電路實(shí)例二帶參數(shù)電路圖，采用 TLV431作為串聯(lián)電源壓降調(diào)整器件，其內(nèi)部包括了調(diào)整用晶體管701和運(yùn)放702以及參考 電壓源703(1. 24V)。電阻RO R5的取值如圖中所示，反相放大用運(yùn)放704采用0PA369， DC/DC模塊705采用TPS61220，內(nèi)部電源電壓Vcc為2. 5V。將圖7中的電路參數(shù)代入式
(6)，計(jì)算得到串聯(lián)壓降Vin與回路電流I1top之間的關(guān)系見(jiàn)式(7)=Vin = 2. 48-Iloop*50,當(dāng) Iloop = 4mA 的時(shí)候，Vin = 2. 28V ；當(dāng) IlQ。p = 20mA 的時(shí)候，Vin = 1. 48V。
權(quán)利要求
一種壓降自動(dòng)調(diào)整的串聯(lián)回路取電電路，包括依次串聯(lián)的24V電源、串聯(lián)型儀表設(shè)備、變送器、負(fù)載電阻，串聯(lián)型儀表設(shè)備包括回路取電電路、DC/DC模塊及內(nèi)部電路，其特征在于，所述回路取電電路中串聯(lián)一采樣電阻，采樣電阻上電壓信號(hào)送入電壓調(diào)整網(wǎng)絡(luò)，電壓調(diào)整網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)取電電路中串聯(lián)在回路上晶體管的導(dǎo)通和截止。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述壓降自動(dòng)調(diào)整的串聯(lián)回路取電電路，其特征在于，所述電壓調(diào) 整網(wǎng)絡(luò)包括運(yùn)放、參考電壓源和用于電壓調(diào)節(jié)兩串聯(lián)電阻，參考電壓源接運(yùn)放比較負(fù)極，采 樣電阻接運(yùn)放比較負(fù)極，所述回路取電電源經(jīng)過(guò)用于電壓調(diào)節(jié)兩串聯(lián)電阻分壓后接運(yùn)放比 較正極，運(yùn)放輸出為電壓調(diào)整網(wǎng)絡(luò)輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述壓降自動(dòng)調(diào)整的串聯(lián)回路取電電路，其特征在于，所述電壓調(diào) 整網(wǎng)絡(luò)包括同相電壓跟隨放大器、運(yùn)放、參考電壓源和用于電壓調(diào)節(jié)兩串聯(lián)電阻，參考電壓 源接運(yùn)放比較負(fù)極，采樣電阻接同相電壓跟隨放大器輸入正極，經(jīng)同相電壓跟隨放大器信 號(hào)放大后接運(yùn)放比較負(fù)極，所述回路取電電源經(jīng)過(guò)用于電壓調(diào)節(jié)兩串聯(lián)電阻分壓后接運(yùn)放 比較正極，運(yùn)放輸出為電壓調(diào)整網(wǎng)絡(luò)輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述壓降自動(dòng)調(diào)整的串聯(lián)回路取電電路，其特征在于，所述電壓調(diào) 整網(wǎng)絡(luò)包括反相放大電路、運(yùn)放、參考電壓源和用于電壓調(diào)節(jié)兩串聯(lián)電阻，所述回路取電電 源經(jīng)過(guò)用于電壓調(diào)節(jié)兩串聯(lián)電阻分壓后接運(yùn)放比較正極，參考電壓源接運(yùn)放比較負(fù)極，采 樣電阻接反相放大電路負(fù)極，反相放大電路正極接地，反相放大電路輸出接運(yùn)放比較正極， 運(yùn)放輸出為電壓調(diào)整網(wǎng)絡(luò)輸出。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種壓降自動(dòng)調(diào)整的串聯(lián)回路取電電路，包括依次串聯(lián)的24V電源、串聯(lián)型儀表設(shè)備、變送器、負(fù)載電阻，串聯(lián)型儀表設(shè)備包括回路取電電路、DC/DC模塊及內(nèi)部電路，所述回路取電電路中串聯(lián)一采樣電阻，采樣電阻上電壓信號(hào)送入電壓調(diào)整網(wǎng)絡(luò)，電壓調(diào)整網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)取電電路中串聯(lián)在回路上晶體管的導(dǎo)通和截止，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)回路壓降的調(diào)節(jié)。電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，壓降范圍通過(guò)電路參數(shù)的選擇可任意調(diào)整，并且適用于所有串聯(lián)型回路取電儀表和設(shè)備，具有較廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G05F1/56GK101976092SQ20101025265
公開(kāi)日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月13日
發(fā)明者操永波, 王駿 申請(qǐng)人:上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院