專利名稱：一種壓降自動調整的串聯回路取電電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種工業自動化控制系統中取電電路，特別涉及一種兩線制串聯分壓 儀表、設備的取電電路。
背景技術：
工業自動化控制系統中通常采用兩線制4 20mA回路方式，既傳輸測量/控制信 號，又同時為現場儀表提供電能。4 20mA回路中通常包括一個24V電源、一個產生4 20mA信號的高阻設備(如變送器、AO型控制器等)，以及其他串聯在回路中的低阻設備(如 負載電阻、執行器、指示表等)。通常由變送器構成的4 20mA回路如圖1所示。由于回路中所有串聯設備的電源都來自于單一的24V，為保證所有儀表正常工作， 期望回路中串聯設備的壓降足夠低，如模擬指針式電流表的串聯壓降低于0. 7V。但隨著這 些串聯型儀表或設備的數字化，其功耗要求越來越大，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儀表/設備獲得足夠的電能，以維持其正常工作。這些串聯型儀表或設備通常利用穩壓管串聯在回路中，獲得固定的壓降并作為內 部系統的電源，如圖2所示。根據內部的總功耗需求，計算小于4mA條件下所需壓降，即作 為最終設計的固定壓降值。該方案的缺點是當回路電流加大后，由于串聯壓降仍是定值，因 此串聯設備將從回路中獲得額外的能量，這些能量只能被穩壓管白白浪費掉。如果串聯設 備的功耗要求較大，則設計的串聯壓降也需要很大，容易導致回路工作的不正常。
發明內容
本發明是針對現在串聯型儀表或設備的功耗要求越來越大，容易導致回路工作不 正常的問題，提出了一種壓降自動調整的串聯回路取電電路，可根據回路電流的大小動態 調整串聯壓降，以實現最小的回路壓降損失，保證回路的正常工作。本發明的技術方案為一種壓降自動調整的串聯回路取電電路，包括依次串聯的 24V電源、串聯型儀表設備、變送器、負載電阻，串聯型儀表設備包括回路取電電路、DC/DC 模塊及內部電路，所述回路取電電路中串聯一采樣電阻，采樣電阻上電壓信號送入電壓調 整網絡，電壓調整網絡驅動調節取電電路中串聯在回路上晶體管的導通和截止。所述電壓調整網絡包括運放、參考電壓源和用于電壓調節兩串聯電阻，參考電壓 源接運放比較負極，采樣電阻接運放比較負極，所述回路取電電源經過用于電壓調節兩串 聯電阻分壓后接運放比較正極，運放輸出為電壓調整網絡輸出。所述電壓調整網絡包括同相電壓跟隨放大器、運放、參考電壓源和用于電壓調節 兩串聯電阻，參考電壓源接運放比較負極，采樣電阻接同相電壓跟隨放大器輸入正極，經同 相電壓跟隨放大器信號放大后接運放比較負極，所述回路取電電源經過用于電壓調節兩串 聯電阻分壓后接運放比較正極，運放輸出為電壓調整網絡輸出。所述電壓調整網絡包括反相放大電路、運放、參考電壓源和用于電壓調節兩串聯 電阻，所述回路取電電源經過用于電壓調節兩串聯電阻分壓后接運放比較正極，參考電壓
3源接運放比較負極，采樣電阻接反相放大電路負極，反相放大電路正極接地，反相放大電路 輸出接運放比較正極，運放輸出為電壓調整網絡輸出。本發明的有益效果在于本發明壓降自動調整的串聯回路取電電路，電路實現簡 單，壓降范圍通過電路參數的選擇可任意調整，并且適用于所有串聯型回路取電儀表和設 備，具有較廣泛的推廣應用價值。
圖1為現有技術由變送器構成的4 20mA回路圖；圖2為現有技術基于穩壓管的串聯回路取電示意圖；圖3為本發明壓降自動調整的串聯回路取電電路原理框圖；圖4為本發明壓降自動調整的串聯回路取電電路原理實現圖；圖5為本發明壓降自動調整的串聯回路取電電路實例一電路圖；圖6為本發明壓降自動調整的串聯回路取電電路實例二電路圖；圖7為本發明壓降自動調整的串聯回路取電電路實例二帶參數電路圖。
具體實施例方式圖1所示的由變送器構成的4 20mA回路連接圖，通常包括一個24V電源101、 一個過程測量用變送器103、負載電阻104和其他串聯型儀表/設備102。電源101為整個 回路提供電能；變送器103根據測量結果調節回路電流在4 20mA范圍內變化；負載電阻 104用于電流采樣，以及滿足智能儀表的通信需求；其他串聯型儀表/設備102用于回路的 輔助功能，如電流指示表、記錄儀、數字通信等。圖2所示電路，是目前使用最廣泛的串聯型回路取電電路。串聯型儀表/設備102 通過內部的穩壓管201串聯在回路中，獲得固定的回路壓降，并提供給內部電路203(通常 利用DC/DC模塊202調整到需要的內部工作電壓)。為保證小于4mA的條件下儀表/設備 仍能正常工作，需要設計的穩壓管201電壓參數都較大，使得能量利用不充分，甚至因為串 聯壓降過大導致回路電壓不夠。圖3所示本發明壓降自動調整的串聯回路取電電路原理框圖，串聯型儀表/設備 102內部包含一個小阻值的電阻301作為采樣電阻，用于回路4 20mA電流的檢測。通過采 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整 網絡302，并驅動調節串聯在回路中晶體管303的導通壓降，最終實現對回路壓降的調節。 根據內部電路要求，可通過DC/DC模塊304進行內部電壓的調整。圖4是本發明壓降自動調整的串聯回路取電電路原理實現圖。圖3中的電壓調整 網絡302由運放402、參考電壓源403和電壓調節用電阻405、406(R1、R2)構成。回路電流通 過電阻404(R0)采樣，并連接到運放402的反相輸入端。電路達到平衡后，串聯電源壓降Vin 與參考電壓Vref以及回路測量電壓Vf之間的關系見式(1) =Vin= (1+R2/R1)*(Vref+Vf)。由于回路測量電壓Vf與回路電流Iltrap成反比例關系，即Vf = -Iloop^RO,因此串聯 電源壓降Vin與回路電流I1top的關系見式(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成反比例關系，即隨著回路電流 I1top的增大，串聯電源壓降Vin會隨之減小。通過調節電阻R1、R2、R0以及參考電壓Vref，可以實現串聯電源壓降Vin在需要的范圍內變化。原理實現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，最終串聯電源壓降Vin的可調范圍也較小。圖5所示本發明壓降自動調整的串聯回路取電電路實例一電路圖。將回路測 量電壓Vf經過由運放505和外圍電阻508 510 (R5、R4、R3)組成的同相電壓跟隨放大 器，可實現Vf的放大，即Vfb = (l+R4/R5)*Vf。此時式(2)將變為式(3) =Vin = (1+R2/ Rl)* (Vref-Ilrap* (1+R4/R5) *R0)，通過調節電阻R4和R5，可實現串聯電源壓降Vin較寬的
調整范圍。圖6所示本發明壓降自動調整的串聯回路取電電路實例二電路圖。通過由運放 601及外圍電阻602 604 (R3 R5)構成的反相放大電路，同樣可以對回路測量電壓Vf進 行放大，并反相。經過反相放大后的反饋電壓Vfb與回路電流Iltrap之間的關系見式(4) :VFB =I-jroMRVRS)。由于Vfb與I1top已經成為正比例關系，因此反饋電壓Vfb接入到調整用運放608的 同相端，此時串聯壓降Vin與參考電壓Vref以及回路測量反饋電壓Vfb之間的關系見式
(5)=Vin = Vref* (1+R2/R1+R2/R3)-VFB* (R2/R3)將式(4)代入式(5)，可以得到圖6所示實現電路中Vin與Iltrap的關系，見式(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，并且通過電阻RO R5以及參考電壓 Vref，可以實現對串聯電源壓降Vin范圍的調節。如圖7為本發明壓降自動調整的串聯回路取電電路實例二帶參數電路圖，采用 TLV431作為串聯電源壓降調整器件，其內部包括了調整用晶體管701和運放702以及參考 電壓源703(1. 24V)。電阻RO R5的取值如圖中所示，反相放大用運放704采用0PA369， DC/DC模塊705采用TPS61220，內部電源電壓Vcc為2. 5V。將圖7中的電路參數代入式
(6)，計算得到串聯壓降Vin與回路電流I1top之間的關系見式(7)=Vin = 2. 48-Iloop*50,當 Iloop = 4mA 的時候，Vin = 2. 28V ；當 IlQ。p = 20mA 的時候，Vin = 1. 48V。
權利要求
一種壓降自動調整的串聯回路取電電路，包括依次串聯的24V電源、串聯型儀表設備、變送器、負載電阻，串聯型儀表設備包括回路取電電路、DC/DC模塊及內部電路，其特征在于，所述回路取電電路中串聯一采樣電阻，采樣電阻上電壓信號送入電壓調整網絡，電壓調整網絡驅動調節取電電路中串聯在回路上晶體管的導通和截止。
2.根據權利要求1所述壓降自動調整的串聯回路取電電路，其特征在于，所述電壓調 整網絡包括運放、參考電壓源和用于電壓調節兩串聯電阻，參考電壓源接運放比較負極，采 樣電阻接運放比較負極，所述回路取電電源經過用于電壓調節兩串聯電阻分壓后接運放比 較正極，運放輸出為電壓調整網絡輸出。
3.根據權利要求1所述壓降自動調整的串聯回路取電電路，其特征在于，所述電壓調 整網絡包括同相電壓跟隨放大器、運放、參考電壓源和用于電壓調節兩串聯電阻，參考電壓 源接運放比較負極，采樣電阻接同相電壓跟隨放大器輸入正極，經同相電壓跟隨放大器信 號放大后接運放比較負極，所述回路取電電源經過用于電壓調節兩串聯電阻分壓后接運放 比較正極，運放輸出為電壓調整網絡輸出。
4.根據權利要求1所述壓降自動調整的串聯回路取電電路，其特征在于，所述電壓調 整網絡包括反相放大電路、運放、參考電壓源和用于電壓調節兩串聯電阻，所述回路取電電 源經過用于電壓調節兩串聯電阻分壓后接運放比較正極，參考電壓源接運放比較負極，采 樣電阻接反相放大電路負極，反相放大電路正極接地，反相放大電路輸出接運放比較正極， 運放輸出為電壓調整網絡輸出。
全文摘要
本發明涉及一種壓降自動調整的串聯回路取電電路，包括依次串聯的24V電源、串聯型儀表設備、變送器、負載電阻，串聯型儀表設備包括回路取電電路、DC/DC模塊及內部電路，所述回路取電電路中串聯一采樣電阻，采樣電阻上電壓信號送入電壓調整網絡，電壓調整網絡驅動調節取電電路中串聯在回路上晶體管的導通和截止，最終實現對回路壓降的調節。電路實現簡單，壓降范圍通過電路參數的選擇可任意調整，并且適用于所有串聯型回路取電儀表和設備，具有較廣泛的推廣應用價值。
文檔編號G05F1/56GK101976092SQ20101025265
公開日2011年2月16日 申請日期2010年8月13日 優先權日2010年8月13日
發明者操永波, 王駿 申請人:上海工業自動化儀表研究院