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4-20mA电流环路系统中产生的废能利用方案

作者:时间:2013-01-24来源:网络收藏

  信号常用于工业环境,实现远距测量数据传输,例如:加工温度或者容器压力等。这种信号传输方式之所以成为人们的首选,因为它简单便捷、抗噪、安全,并且可以在没有数据损坏的情况下实现远距离传输。由于传输数据的电流相对较低,这些还是低功耗系统。以前,没有获得利用的功率,或者信号传输过程中损失的功率,都在发送器内耗散掉;但现在,利用现代集成电路以后,即使这一小部分功率也被节省下来,以支持系统中必需功能的正常工作。

  系统基础知识

  图1显示了一个典型的电流环路系统。一个半稳压式24V DC电源同时向电流环路和发送器组件供电。发送器对重要信号(例如:温度、压力和其他参数)进行测量,然后输出一个2-20mA电流,其与该信号强弱成比例。该电流通过线路,传输至某个接收机系统。之后,电流遇到电阻器形成电压,其通过一个模数转换器(ADC)读出,然后再经过进一步处理。通过连线,连接回到为环路供电的电压源,这样构成一个完整的环路。

基本的4-20mA电流环路系统

  图1:基本的4-20mA电流环路系统

  工业应用中使用这些电流环路具有诸多好处:

  ●电流环路是一些简单电路,仅要求一个简易电源、一个完成测量然后产生电流的发送器、一条传输线以及一个接收机电路。电源只需提供足以克服各种系统压降问题的电压;多余的环路电压刚好在发送器处得到降低。由于电流较低,仅有少量功耗,因此发热较少。

  ●电流环路仅包含一个电流环路。因此,根据基尔霍夫电流定律,通过环路中所有组件的电流相等。这样便实现了较高的抗噪性,而抗噪性又是工业环境应用的关键。

  ●由于信号电平最低达到4mA,从而实现了安全性。如果环路内部出现损坏,或者环路连接断开,则接收机无法读出电流,其表明出现故障,而非最低信号电平。

  ●只要电源电压高到足以克服系统压降,则代表测得信号的理想电流由发送器维持。因此,高压降和低成本的小规格线材用于进行互连,其仅要求增加电源电压。最为重要的是,线路允许相对较大的压降,便可以使用大量的连线。这样,受测仪器和对测量数据进行处理的控制室之间便可实现物理隔离,从而为控制室内的人员提供安全保护。

  基本系统改进

  我们可以利用多余的环路电压,用于向接收机电路供电,否则其会在发送器被降下来。图2显示了一个在电流环路中插入的电源。该电源与其供电的接收机电路一起放置于控制室中--有效地将多余环路电压转换为有用输出功率。

4-20mA电流环路中多余环路电压的利用

  图2:4-20mA电流环路中多余环路电压的利用

  由于接收机电阻不再接地参考,因此可能会需要电平移动电路,以连接数据转换器输入。任何高端分流监测器(例如:TI INA138等)都可提供这种极为简单的电路。这些器件对共模电压的小检测电阻压降进行测量,从而降低接收机电阻的必要压降。这样便让更多的电压可以为电源所利用,从而降低能源浪费。

  这种电源通常会提供经过稳压的3.3V输出,以为电平位移器、数据转换器以及控制室内的所有其他低功耗设备供电。例如,来自TI MSP430TM平台的微处理器,其对接收数据进行检查,然后做出决策;来自TI CC430系列的低功耗RF器件,其将数据无线传输至其他地方。如果无需为特别长的电流环路购买和安接线路,从而实现成本节省,则无线发送器特别有用。这些器件的功耗必须非常低,因为榨取自电流环路的多余能源数量有限。

  最后,这种电源还必须能与此类低功耗电源一起工作-最小电流4mA,最大电流20mA.由于这种电流所产生的电压为环路的多余电压,因此电源必须接受一个宽输入电压范围,并且仍然提供稳定的输出。对这种电源而言,更困难的是通过限流电源来启动系统。一般而言,启动期间要求更高的输出功率,对输出电容器充电,同时为负载提供启动电流。它远高于正常运行时系统消耗的量。如果电源要在启动期间提供这种高功率,则其输出功率会超出电流环路提供的量。如果出现这种情况,进入电源的电压会在电源关闭以前不断下降。这样,在重新开启以前,其输入电压会再次上升,并不断重复该过程。当电源通过这种小输入功率工作时,启动振荡是我们需要克服的一个难题。

  能源利用解决方案

  正如前面所述,型电源必须拥有较宽的输入电压范围,能够通过非常小的输入功率工作,并能在通过限流电源供电时避免出现启动振荡。TI的TPS62125便是一个这种电源,因为它通过一个3-17V输入工作,仅要求11μA的工作电流,并且拥有带可调磁滞的可编程使能阈值电压。TPS62125产品说明书中建议的电路有三个小改动:

  1、给器件输入添加一个15V齐纳二极管,以在其承受的多余环路电压超出其17V额定值时提供保护。如果使用一个低压电流环路系统,则无需使用这种二极管。最大电压控制在 15.6V的齐纳二极管可以获得较好的结果。

  2、给器件输入端添加大容量电容,以存储足够的能源,用于启动和负载变化。根据启动期间负载的功率需求情况,可能会不需要使用这种电容器。总计约200μF的电容,便可让举例负载实现平稳的启动,其在启动时需要3.3V、50Ma的电源持续供电30ms,而启动以后则只需要10mA的电流。大容量电容还可为可能出现的定期高功率需求提供存储能源,例如:温度测量、数据转换器读取操作或者通过天线发送数据。

  3、对器件的使能阈值电压进行调节,这样器件便可在其电压达到12V时开启。对器件编程,让其在输入降至4V时关闭。一旦启用,器件便高效地将这种重新得到利用的能源转换为其3.3V输出。

  例如,一个电源解决方案,我们选择4V作为关闭电压,目的是提供输入电压到输出电压的规定余量,从而让器件能够保持3.3V稳压输出。使用12V的开启电压,用于满足系统的各种要求。我们假设,24V电源的变化范围为18V到30V之间,并且电流环路压降共计为6V最大值,从而让器件在极端情况时承受12V的最小值。因此,我们选择12V作为启动电源的点,因为它是器件可能会承受的最小电压。另外,12V最小电压可以在开启电压和关闭电压之间实现充分的间隔,这样电源便在没有启动振荡的情况下启动进入高功率负载状态。

  上述电源解决方案通过TI的XTR111启动和关闭。XTR111是一个4-20mA电流环路发送器,能够始终提供4Ma以下的电流。图3显示了这种解决方案的启动情况。发送器启用以后,它便开始提供电流,其将输入电压升高至电源的12V开启点。电源输出电压上升进入调节区域,然后立即提供50 mA的负载启动电流。这会稍微降低电源的输入电压,但电源保持对输出电压的调节,原因是其宽电压范围和大容量输入电容器。负载启动能耗持续30ms以后,负载电流减少至稳定状态,即10mA电平。输入电压进一步上升,并受齐纳二极管控制,保持在15V电平。正如我们已经注意到的那样,电流环路提供的电流始终保持在4mA以下。

废能利用型电源的启动

  图3:型电源的启动

  图4显示了图3的放大图。电源从大容量电容器吸取存储的电能,以满足启动负载电流需求,同时电流环路始终提供低于4mA的电流。这种吸能过程,会使输入电压降低约2V,但对这种电源而言,这是可以接受的。

提供负载启动电流的废能利

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