飽和受控回路電流調(diào)節(jié)器的制造方法
【專利摘要】過(guò)程變送器包括生成要在電流回路上傳送的值的設(shè)備電路。串聯(lián)控制晶體管在電流回路和設(shè)備電路之間串聯(lián)，并且飽和防止電路防止串聯(lián)控制晶體管進(jìn)入飽和。
【專利說(shuō)明】
飽和受控回路電流調(diào)節(jié)器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] W下描述的實(shí)施例設(shè)及過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。具體地，實(shí)施例設(shè)及過(guò)程環(huán)境中的回路電 流調(diào)節(jié)器。
【背景技術(shù)】
[0002] 在工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中使用過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，W監(jiān)測(cè)和/或控制工業(yè)過(guò)程?？刂圃O(shè) 備是用于控制過(guò)程的過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。示例控制設(shè)備包括累、閥、致動(dòng)器、螺線管、電機(jī)、混合 器、攬拌器、破碎機(jī)、粉碎機(jī)、滾筒、銳床、球磨機(jī)、攬和機(jī)、過(guò)濾器、滲混機(jī)、旋流器、離屯、分離 機(jī)、塔、干燥器、傳送器、分離器、升降機(jī)、起重機(jī)、加熱器、冷卻器W及其他運(yùn)樣的設(shè)備。過(guò)程 變送器是例如通過(guò)監(jiān)測(cè)例如溫度、壓力、流等過(guò)程變量來(lái)感測(cè)（或監(jiān)測(cè)）過(guò)程的操作的過(guò)程 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。發(fā)送所監(jiān)測(cè)的過(guò)程變量，使得可W由過(guò)程中的其他設(shè)備（例如中央控制室）使 用所監(jiān)測(cè)的過(guò)程變量。
[0003] 雙線過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備從雙線過(guò)程控制回路接收功率，并在雙線過(guò)程控制回路上傳送 功率。一種標(biāo)準(zhǔn)類型的雙線過(guò)程控制回路在控制回路上使用4-20mA的電流電平來(lái)表示控 制設(shè)備的過(guò)程變量或狀態(tài)。在運(yùn)種配置中，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可W將電流電平控制到代表感測(cè)到的 過(guò)程變量（例如壓力）的一個(gè)值（例如10mA)。在其他實(shí)施例中，使用例如HART處通信 協(xié)議（例如Fiel化US或Profibus)的通信標(biāo)準(zhǔn)在雙線回路上對(duì)數(shù)字值進(jìn)行編碼。
[0004] 為了減小與過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備禪合所需的布線量，許多過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備用從雙線過(guò)程控 制回路接收到的功率來(lái)完全供電。因此，過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可用的功率總量是有限的。例如，在 4-20mA的電流回路中，通過(guò)電流電平可W設(shè)置的最低電平（例如3. 6mA)和設(shè)備兩端可用的 最大壓降（例如在固有安全位置中略少于24v)來(lái)限制總可用功率。運(yùn)小于設(shè)備0.09瓦特 的可用功率。 陽(yáng)0化]在許多情況下，過(guò)程設(shè)備的功能受到雙線過(guò)程控制回路上可用的功率的量的限 審IJ。例如，附加的功能可能需要來(lái)自微處理器的附加的計(jì)算能力。該增加的計(jì)算功率需要 更大的電力并且可能超過(guò)回路可用的功率預(yù)算。為了增加在過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中可用的功率的 量，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通常利用高效電源將從雙線過(guò)程控制回路接收到的功率轉(zhuǎn)換為調(diào)節(jié)后的電壓 電平，W供內(nèi)部電路使用。已經(jīng)在過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中使用了一種類型的電源（開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器）， 原因在于它在向設(shè)備的組件提供調(diào)節(jié)后的電源電壓的高效性。
[0006] 上述討論僅用于提供一般的背景信息，并且不旨在用于輔助確定所要求保護(hù)的主 旨的范圍。所要求保護(hù)的主旨不限于解決在背景中所提及的任意或全部缺點(diǎn)的實(shí)施方式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 過(guò)程變送器包括生成要在電流回路上傳送的值的設(shè)備電路，串聯(lián)控制晶體管在電 流回路和所述設(shè)備電路之間串聯(lián)；并且飽和防止電路防止所述串聯(lián)控制器進(jìn)入飽和。
[0008] 根據(jù)另一實(shí)施例，過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備包括：用于與過(guò)程控制回路連接的控制回路連接 器、設(shè)備電路和在控制回路連接器和設(shè)備電路之間串聯(lián)的電流調(diào)節(jié)器。所述電流調(diào)節(jié)器控 制所述控制回路上的電流電平并提供具有與在過(guò)程控制回路上提供的電壓成比例的最大 功率的功率輸出。
[0009] 根據(jù)另一實(shí)施例，過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備包括：用于與電流回路連接的兩個(gè)回路連接器、設(shè) 備電路和在兩個(gè)回路連接器之一和設(shè)備電路之間串聯(lián)的電流控制器。所述電流控制器能夠 控制所述電流回路中的電流電平，同時(shí)針對(duì)所述電流回路中的多個(gè)電流電平在所述電流回 路和所述設(shè)備電路之間提供固定的壓降。
[0010] 提供該
【發(fā)明內(nèi)容】
和摘要W用簡(jiǎn)化的形式介紹一部分概念，其在W下的具體實(shí)施方 式中將進(jìn)行具體描述。
【發(fā)明內(nèi)容】
和摘要不旨在標(biāo)識(shí)所要求保護(hù)的主旨的關(guān)鍵特征或必要特 征，也不旨在用于輔助確定所要求保護(hù)的主旨的范圍。
【附圖說(shuō)明】 W11] 圖1提供了包括過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、雙線回路和控制器的過(guò)程環(huán)境的框圖。
[0012] 圖2提供了對(duì)于多種功率制式在各種回路電流可獲得的功率的圖表。
[0013] 圖3提供了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的組合框圖和電路圖的。
[0014] 圖4提供了在圖3的接口中的各種組件的電壓和電流的圖表。
[0015] 圖5提供了根據(jù)另一實(shí)施例的過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的組合框圖和電路圖。
[0016] 圖6提供了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的圖1的過(guò)程環(huán)境的組合框圖和電路圖。
[0017] 圖7提供了根據(jù)另一實(shí)施例的過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的組合框圖和電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 圖1是包括控制器102和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備104的過(guò)程環(huán)境100的框圖?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備104包 括傳感器/受控元件112和電子器件114,電子器件114與雙線控制回路116a和11化禪 合。電子器件114包括設(shè)備電路118和接口 /電源電路120。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備 104通過(guò)雙線回路116a/ll化與控制器102通信。
[0019] 當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備104是過(guò)程變送器時(shí)，它基于來(lái)自傳感器112的信號(hào)生成例如溫度、壓 力或流的過(guò)程變量，并在雙線回路116a/ll化上向控制器發(fā)送信息。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備104是過(guò) 程控制設(shè)備時(shí)，它基于從控制器102通過(guò)雙線回路116a/ll化發(fā)送的指令來(lái)改變受控元件 112,和/或在雙線回路116a/ll化上向控制器102提供關(guān)于受控元件112的狀態(tài)信息?？?W例如通過(guò)控制通過(guò)回路116a/116b的在表示最小值的4mA信號(hào)與代表滿標(biāo)值的20mA信 號(hào)之間的電流I的流（flow)來(lái)做出來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的傳輸。此外，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備104可W將表示 警報(bào)的電流設(shè)置為在3. 6mA處低警報(bào)和在23mA處高警報(bào)。設(shè)備電路118從傳感器/受控 元件112接收信號(hào)，并控制電路120調(diào)制回路電流I。附加地，在一些例如HART液標(biāo)準(zhǔn)的 通信協(xié)議中，設(shè)備電路118在回路116a/l 1化上進(jìn)行數(shù)字通信，并通過(guò)接口 120數(shù)字地發(fā)送 過(guò)程變量。設(shè)備電路118在回路116a/ll化上向控制器（未示出）發(fā)送數(shù)字命令并從控制 器（未示出）接收數(shù)字命令。電路120還使用回路電流I為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備104供電。
[0020] 圖1還示出了在設(shè)備電路118和接口 /電源120之間的多個(gè)輸入和輸出。在數(shù)據(jù) 線124上向接口 /電源120提供數(shù)字信息。通過(guò)線路122向接口 /電源120提供設(shè)備電路 118的模擬輸出。通過(guò)數(shù)據(jù)線126向設(shè)備電路118提供從回路116a/ll化接收的信息。附 加地，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，接口 /電源120通過(guò)電源線128向設(shè)備電路118供電。
[0021] 在引入回路掃氣（scavenging)和可變提升（liftoff)變送器設(shè)計(jì)之前，現(xiàn)場(chǎng)設(shè) 備具有與最小回路電流相等的較低的工作電流限制。運(yùn)意味著要求所有設(shè)備電路118在 3. 6mA的低警報(bào)電流操作。在實(shí)踐意義中，變送器被設(shè)計(jì)為低于3mA操作，W允許對(duì)于可靠 操作的足夠余量。針對(duì)12V的提升操作，運(yùn)剩余了小于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備操作的理論可用功率36mW 的功率。
[0022] 近年來(lái)，希望向過(guò)程設(shè)備添加更多功能。已經(jīng)并將在新變送器設(shè)計(jì)中使用附加的 處理功率、較高的細(xì)節(jié)顯示、診斷、背光等。運(yùn)些特征中的許多特征耗費(fèi)額外的功率，運(yùn)在回 路掃氣技術(shù)之前是不可能的。
[0023] 現(xiàn)有的4-20mA現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有特定的最小工作電壓和特定的高和低警報(bào)電流。 HARTK兼容負(fù)載電阻器必須在250歐和1100歐之間。如果假設(shè)12V的提升電壓和23mA 和3. 6mA的高、低警報(bào)電流，則最小電源電壓、最小電源功率和最大電源功率被計(jì)算為：
[0024] Vs聊Iy m"= (250 Q *0. 023A) +12V = 17. 75V 陽(yáng)0巧]Ps叩Piy min= (17. 75V*0. 0036A) = 0. 064W 陽(yáng)0%] Ps叩Piy max= (17. 75V*0. 023A) = 0. 408W
[0027] 向250歐負(fù)載電阻器供應(yīng)的最小和最大功率被計(jì)算為：
[0028] PLoad min= (250 Q *0. 0036A) *0. 0036A = 0. 003W
[0029] PLoad max= (250 Q *0. 023A) *0. 023A = 0. 132W
[0030] 運(yùn)剩余了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備端的最小和最大的功率量：
[0031] PTransnutter nun= (17. 75V*0. 0036A)-(250 0*0. 0036A)*0. 0036A = 0. 061W 陽(yáng)0扣]P化ansnuaer max= (17. 75V*0. 023A) - (250 Q *0. 023A) *0. 023A = 0. 276W
[0033] 圖2示出了隨回路電流而變的功率的圖表，其中在水平軸204上示出回路電流，在 垂直軸206上示出功率。將在上述條件下的變送器的最小功率在圖2中示為最小可用功率 200。
[0034] 具有12V固定提升電壓的傳統(tǒng)變送器能夠使用最大功率：
[0035] Ple詞Transmitter max U琴=(12V*0. 0036A) = 0. 043W
[0036] 運(yùn)種傳統(tǒng)變送器具有實(shí)際可用功率：
[0037] Ple詞Transmitter realistic U零二巧V*〇. OOSA) = 0. 〇27胖
[003引圖2 W線202示出傳統(tǒng)變送器的最大功率使用。如所示，傳統(tǒng)變送器不能使用對(duì) 于17. 75V的電源在變送器處可用的全額功率。
[0039] 可變提升電路使用例如回路設(shè)置電流的已知參數(shù)和例如最小HART回路電阻和電 源電壓的電路假設(shè)，W試圖使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的功率最大化。使用運(yùn)些參數(shù)，內(nèi)部調(diào)節(jié)器的操作 點(diǎn)可W被調(diào)整為更好地使用在任意給定回路電流處可獲得的功率。具體地，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的內(nèi)部電源軌電壓可W進(jìn)一步增加現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的功率?？勺兲嵘s束現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的 輸入電壓范圍。可變提升假設(shè)最小電源電壓是17. 75V，有效HART負(fù)載電阻器是250Q并且 在 20mA 回路電流的端電壓是 12V。Schulte 的標(biāo)題為 VARIABLE LIFTOFF VOLTAGE PROCESS FIELD DEIVCE的US No. 7, 970, 063專利設(shè)及運(yùn)種提升電壓。
[0040] 使用運(yùn)些假設(shè)，使用可變提升的變送器可用的最小和最大功率是：
[0041] Pvanable LO 化ansmitter nun= ( (17. 75V-0. 75V) - (250 Q *0. 0036A) ) *0. 0036A = 0. 058W
[0042] Pvanable LO 化ansmitter max= ( (17. 75V-0. 75V) - (250 Q *0. 023A) ) *0. 023A = 0. 259W
[0043] 其中（0.75V)是電壓調(diào)節(jié)器的不飽和壓降。圖2的圖表208示出了針對(duì)17. 75V 的電源所設(shè)計(jì)的可變提升變送器的功率使用。
[0044] 可變提升電路的一個(gè)缺點(diǎn)在于，假設(shè)在最小HART指定電源電壓和回路阻抗處操 作。盡管計(jì)算顯示變送器理論上將用17. 75V的電源進(jìn)行操作，大多數(shù)消費(fèi)者將使用具有實(shí) 質(zhì)上更高的電壓的電源（常見(jiàn)的是供應(yīng)24V的電源）。在消費(fèi)者向變送器供應(yīng)24V電源并 使用250 Q負(fù)載的情況下，存在如圖2中消費(fèi)者提供的電源210所示的在可變提升期間未 被使用的變送器可用的基本功率量，其被計(jì)算為： W45] Pvanable LO 化ansmitter nun= ( (24V-0. 75V) - (250 Q *0. 0036A) ) *0. 0036A = 0. 080W
[0046] Pvanable LO 化ansmitter max= ( (24V-0. 75V) - (250 Q *0. 023A) ) *0. 023A = 0. 403W
[0047] 在最需要該附加功率的4mA點(diǎn)處該附加功率最顯著。運(yùn)里存在可W捕獲的多39% 的功率。 W48] 此外，在現(xiàn)有技術(shù)中傳遞給測(cè)量電路的最大功率不與電源的電壓成比例。相反，通 過(guò)最大電流與靜態(tài)提升電壓的乘積或回路電流與可變提升電壓的最大乘積來(lái)限制測(cè)量電 路的最大功率。結(jié)果，在消費(fèi)者增加其電源電壓時(shí)，不可能增加供應(yīng)給變送器的最大功率。 W例圖3提供了示出相對(duì)于電流回路116a/l 16b、電源302、設(shè)備電路118和傳感器112 設(shè)置的一個(gè)實(shí)施例的接口 300的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的組合框圖和電路圖。接口 300和電源302共同 形成了圖1的接口 /電源120。
[0050] 接口 300包括串聯(lián)晶體管或串聯(lián)控制晶體管Q1、分流晶體管（shunt transistor) Q2、二極管Dl和電流控制310。串聯(lián)晶體管Ql在回路連接器312和電源302和設(shè)備電路 118之間串聯(lián)?；芈愤B接器312與回路導(dǎo)線116a連接。因此，串聯(lián)晶體管Ql在回路導(dǎo)線 116a和設(shè)備電路118之間串聯(lián)。電流控制310通過(guò)二極管Dl與串聯(lián)晶體管Ql的基極連 接，并且只要晶體管Ql保持在工作的放大區(qū)（active region),電流控制310便控制串聯(lián)晶 體管Ql的發(fā)射極電流le。電流Ie是回路導(dǎo)線116。和11化上的回路電流。電流控制310 調(diào)整電流，W表示在來(lái)自設(shè)備電路118的數(shù)字線124和模擬線122上提供的測(cè)量值。電源 302為電流控制器310供電，電源302還通過(guò)電源連接128向設(shè)備電路118提供功率。 [005U 晶體管Ql的集電極處的電壓被稱為Vmtw。。!。允許該電壓根據(jù)回路電流和進(jìn)入電 源302的電流所遇到的阻抗而改變。結(jié)果，隨著回路電流增加，將增加。運(yùn)允許電源 302可用的最大功率隨回路116a/ll化上的電源電壓增加而增加。因此，如果提供了更大的 電源，則將允許W同一回路電流增加到更高的值。
[0052] 如果允許VmtM。。!隨意地增加，則V 會(huì)將晶體管Ql置于飽和模式，在該點(diǎn)電流 控制器310將不再能夠控制回路電流le。為了避免運(yùn)一點(diǎn)，提供分流晶體管Q2和二極管Dl 來(lái)確保限制串聯(lián)晶體管Ql兩端的發(fā)射極-集電極電壓Vee降至二極管Dl的前向偏置電壓 W下。運(yùn)一點(diǎn)可W從W下等式中看出：
[0053] VecQI = -VbeQI+VfDl+VbeQ2
[0054] 其中VecQl是串聯(lián)晶體管Ql的發(fā)射極-集電極電壓，VwQl是串聯(lián)晶體管Ql的基 極-發(fā)射極電壓，VfDl是二極管Dl的前向偏置電壓，并且VeeQ2是分流晶體管Q2的基極-發(fā) 射極電壓。如果串聯(lián)晶體管Ql和分流晶體管Q2是具有類似性能的同一晶體管類型，并且 保持在同一溫度或接近同一溫度，則串聯(lián)晶體管Ql和分流晶體管Q2的Vw應(yīng)當(dāng)基本相同， 并且運(yùn)兩個(gè)Vee項(xiàng)抵消使得V eeQl > VfDl。
[0055] 由于通常晶體管的飽和電壓顯著低于二極管的典型前向偏置電壓，所W串聯(lián)晶體 管Ql應(yīng)當(dāng)從不會(huì)飽和。結(jié)果，分流晶體管Q2和二極管Dl是充當(dāng)用于保持串聯(lián)晶體管Ql 不飽和的飽和控制電路或飽和防止電路的偏置電路。
[0056] 圖4示出了當(dāng)在回路連接器312和314上提供24V的固定電源電壓并且回路電流 在OmA和30mA之間掃描（sweep)時(shí)在接口 300中的組件的電壓和電流的集合。在圖4中， 垂直軸400示出了圖4中描繪的電壓的電壓值，并且水平軸404示出了在圖4中描述的電 流的電流值。水平軸404指示由電流控制310提取的電流，電流控制310使回路電流406 從OmA向30mA掃描。隨著回路電流增加，電源302汲取初始與回路電流406基本匹配的電 流408。電源302汲取的電流使內(nèi)部電壓根據(jù)進(jìn)入電源302的電流所遇到的阻 抗而增加。隨著增加，在回路電流方向上的串聯(lián)晶體管Ql兩端的壓降Vk412降 低。隨著接近回路連接器312和314兩端的電源電壓，分流晶體管Q2開(kāi)始導(dǎo)通 發(fā)射極電流Ie414,發(fā)射極電流Ie414從電源302分走電流，使電源電流408保持基本固定。 運(yùn)進(jìn)而導(dǎo)致保持基本固定，并且串聯(lián)晶體管Ql兩端的電壓412保持基本固定在 二極管Dl的前向偏置電壓。應(yīng)當(dāng)注意的是，在分流晶體管Q2開(kāi)始導(dǎo)通之后，提供給電源 302的Vmt??i41〇等于在回路連接器312和314兩端施加的電壓減去二極管Dl兩端的正向 偏置電壓。結(jié)果，如果消費(fèi)者增大電源電壓，則也將增大，為電源302提供更大 的電壓，并且由此向電源302提供更大的最大功率。換言之，提供給電源302的最大功率與 提供給電流回路的電源電壓成比例。
[0057] 如圖4中所示，串聯(lián)晶體管Ql針對(duì)電路回路的多個(gè)電流電平，提供在電流環(huán)路和 設(shè)備電路之間基本固定的壓降。具體地，當(dāng)分流晶體管Q2開(kāi)始導(dǎo)通電流時(shí)，Ql兩端的發(fā)射 極-集電極電壓變得基本固定，并且不根據(jù)回路電流而改變。
[0058] 圖5提供了過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的第二實(shí)施例的組合電路圖和框圖。在第二實(shí)施例中， 已添加了兩個(gè)附加的二極管D2和D3,并且其余電路元件與圖3中所描述的相同。已經(jīng)在 圖5中添加了二極管D2, W幫助防止分流晶體管Q2的基極-發(fā)射極電壓超過(guò)晶體管Q2的 反向擊穿電壓。具體地，如果呈現(xiàn)保持在高負(fù)載電流且沒(méi)有分流電流的電壓受限狀 態(tài)的情況，使得V wQl+VfDl+~5v，則分流晶體管Q2將開(kāi)始導(dǎo)通基極到發(fā)射 極。二極管D2防止該電流流動(dòng)。然而，添加二極管D2導(dǎo)致了附加的壓降，該附加的壓降必 須通過(guò)向串聯(lián)晶體管Ql的基極連接添加另一個(gè)二極管（具體地二極管D3)來(lái)平衡。運(yùn)將 上述VeeQl方程式改變?yōu)椋?br>[0059] VecQI = -VbeQI+VfDl+VfD3+VBEQ2-VfD2 W60] 其中VfD3是通過(guò)二極管D3的前向偏置電壓，并且VfD2是通過(guò)二極管D2的前向偏 置電壓。如果VfD2和VfD3相等，它們抵消并且從等式中去掉。運(yùn)將在D2與D3匹配時(shí)發(fā) 生，使得不管溫度如何它們具有彼此相同的前向偏置電壓。為了使得運(yùn)可能性更大，在一些 實(shí)施例中，使用包含二極管D2和二極管D3二者的雙二極管封裝來(lái)使得兩個(gè)二極管之間的 任何不平衡最小化，并使二極管D2和D3之間的任何熱感應(yīng)壓差最小化。類似地，優(yōu)選地， 串聯(lián)晶體管Ql與分流晶體管Q2相匹配，使得在晶體管Ql和Q2的基極-發(fā)射極電壓Vee中 不存在熱感應(yīng)壓差。在圖5中，分流晶體管Q2和二極管D1、D2和D3是充當(dāng)防止串聯(lián)晶體 管Ql進(jìn)入飽和的飽和控制電路或飽和防止電路的偏置電路。
[0061] 圖6提供了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的圖1的過(guò)程環(huán)境100的更詳細(xì)的圖。在圖6中，電 源302和設(shè)備電路118已經(jīng)與傳感器/受控元件112組合，W形成調(diào)節(jié)器和設(shè)備電路610。 示出電流回路116a/ll化與電源電壓Vl和負(fù)載電阻器Rl連接。與電流回路導(dǎo)線116a串 聯(lián)連接的二極管D5、D6和D7用于電容阻斷。在一些設(shè)計(jì)中，不存在二極管D5、D6和D7。
[0062] 串聯(lián)晶體管Q1、分流晶體管Q2和二極管D1、D2和D3執(zhí)行與上述相同的操作。使 用運(yùn)算放大器U1、晶體管Q3、電阻器R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R13和R14 W及電容 器C2、C3、C4和C6來(lái)實(shí)現(xiàn)電流控制310。運(yùn)算放大器Ul從調(diào)節(jié)器和設(shè)備電路610接收功 率。
[0063] 在線路124上通過(guò)電阻器R14和電容器C6向運(yùn)算放大器Ul的非反相輸入端提供 數(shù)字信息。電阻器R14設(shè)置信令電平并且電容器C6將任意DC電流解禪。
[0064] 運(yùn)算放大器Ul的反相輸入與電阻器R13連接，R13將其另一端與公共端連接。電 容器C3將運(yùn)算放大器Ul的反相輸入與運(yùn)算放大器Ul的輸出連接。運(yùn)算放大器Ul的輸出 還通過(guò)電阻器R4與晶體管Q3的基極連接，晶體管Q3使它的發(fā)射極與電阻器R5連接。晶 體管Q3的集電極與二極管D2和D3的陰極連接，并與電阻器R6連接，電阻器R6與二極管 D7的陰極和串聯(lián)晶體管Ql的發(fā)射極連接。電阻器R6向晶體管Q3提供偏置，并促進(jìn)各種回 路控制點(diǎn)之間的更好的過(guò)渡。基極電阻器R4限制流向晶體管Q3的電流，并提供集成的電 路功率限制勢(shì)壘化arrier)。電阻器R5提供反饋，W幫助穩(wěn)定電路。
[00化]運(yùn)算放大器Ul的非反相輸入還與電阻器R12連接，電阻器R12進(jìn)而與電容器C2 和電阻器Rll連接。電阻器Rll的另一端與電阻器R9的一側(cè)連接，并且電容器C2的另一 端與電阻器R9的另一側(cè)連接。電阻器RlO與模擬輸入線路122連接，并且電阻器RlO的另 一端與電阻器R9和電容器C4連接。電容器C4的另一端與地禪合。電阻器R8的一端與電 容器C2和電阻器R9連接，并且電阻器R8的另一端與公共端連接。電阻器Rll和R13 W及 電容器C3為電流控制電路提供濾波和穩(wěn)定化反饋。電阻器R8是用于設(shè)置回路電流的反饋 電阻器。具體地，電阻器R8、R9和RlO W及模擬線路122上的輸出電壓（VdJ使用W下方 程式來(lái)設(shè)置回路電流：
[0066]
[0067] 其中Iiwp是回路電流并且V da。是模擬線路122上的電壓。
[0068] R7是IS功率共享電阻器，W限制變送器電路中的組件的熱抬升。Cl是內(nèi)部系統(tǒng) 電源軌的體電容。該電源軌為調(diào)節(jié)器和設(shè)備電路610中的調(diào)節(jié)器（開(kāi)關(guān)、線性或分流類型） 饋電，該調(diào)節(jié)器向設(shè)備電路的其余部分供電。 W例根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，圖6的接口可W與高電壓/低電流高效開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器（如可從 Maxim公司和德州儀器公司獲得的轉(zhuǎn)換器）一起使用。運(yùn)些調(diào)節(jié)器被設(shè)計(jì)為處理高輸入電 壓（約60V)同時(shí)保持在低電流的高效率。使用飽和控制回路電流調(diào)節(jié)器W及開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器 允許變送器功率與消費(fèi)者提供的功率成比例。 陽(yáng)070] 圖7提供了例如具有作為圖3的接口 300的替換的接口 700的圖3的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之 類的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的組合框圖和電路圖。在圖3和圖7中用相同的參考符號(hào)來(lái)指定圖3和圖7 共用的元件，并且在兩個(gè)附圖中用相同的方式操作。
[00川圖7中，改變飽和控制電路W移除圖3的二極管D1，使得晶體管Ql的基極直接與 電流控制器310連接。作為二極管Dl的替代，圖7的飽和控制電路使用運(yùn)算放大器U2來(lái) 驅(qū)動(dòng)晶體管Q2,使得心。P與VmtM。。!之間的壓差高于晶體管Ql的飽和電壓。運(yùn)算放大器U2 的非反相輸入與通過(guò)在ViMM。。!和電路公共端之間的電阻器R23和R24形成的分壓器連接。 運(yùn)算放大器U2的反相輸入與通過(guò)在齊納二極管D21的陽(yáng)極和電路公共端之間的電阻器R21 和R22形成的分壓器連接。齊納二極管D21的陰極與回路連接器312連接。運(yùn)算放大器U2 的輸出通過(guò)電阻器R25與晶體管Q2的基極連接。
[0072] 在一個(gè)實(shí)施例中，將電阻器R21和R23的值設(shè)置為彼此相等，并且將電阻器R22和 R24的值設(shè)置為彼此相等。用運(yùn)些值，運(yùn)算放大器U2將驅(qū)動(dòng)晶體管Q2,使得￥1。,^。。1保持在 Vuw-Vbaek，其中是齊納二極管D21的擊穿電壓。在其他實(shí)施例中，可W針對(duì)電阻器R21、 R22、R23和R24中的一個(gè)或更多個(gè)來(lái)選擇其他值，W調(diào)諧￥1。,^。。1的電壓。在另一實(shí)施例中， 可W移除齊納二極管D1，并且電阻器R21可W直接與回路連接器312連接。在運(yùn)些實(shí)施例 中，選擇電阻器R21、R22、R23和R24的值，W確保Vmtef。。l是Vu3。P的期望比例。
[0073] 在上述實(shí)施例中，已經(jīng)描述了多個(gè)飽和控制電路?？蒞設(shè)想其他飽和控制電路。 例如，在上述實(shí)施例中，沒(méi)有限制Vmtw。。!。然而，在通過(guò)某種類型的分流電路錯(cuò)位或限制 的實(shí)施例中，可W使用飽和控制電路和串聯(lián)晶體管。例如，可W使用齊納二極管或其 他控制電路來(lái)分流電流，W限制電壓。即使錯(cuò)位限制了設(shè)計(jì)的最大可用功率和某些功率擴(kuò) 縮能力，電路在最需要時(shí)提供了低回路電流的操作益處和附加功率。
[0074] 盡管W上引用12V的提升電壓，可W用許多不同的提升電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)施例。
[00巧]上述實(shí)施例提供先前的可變提升HA及T?掃氣回路調(diào)節(jié)器和能量掃氣類型回路 調(diào)節(jié)器的所有功率優(yōu)點(diǎn)。HA民T?掃氣回路調(diào)節(jié)器存儲(chǔ)來(lái)自HART&傳輸?shù)囊徊糠值哪?量，并在HART?傳輸?shù)牡诙糠制陂g使用所存儲(chǔ)的能量。能量掃氣類型的回路調(diào)節(jié)器通 過(guò)采用能夠保存現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備端處的可用功率的一大部分并將其用于附加功能的調(diào)節(jié)器，利用 了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備處的可用功率。此外，實(shí)施例不將消費(fèi)者限制于最小回路阻抗。此外，可W在希 望使變送器的提升電壓最小的情況下使用上述實(shí)施例。實(shí)施例還固有地幫助防止在任意給 定端電壓處的基于比例（on-scale)的故障狀況，而不需要軟件控制。電路還可W與各種固 有安全方案兼容。
[0076] 盡管已經(jīng)將元件示為或描述為W上單獨(dú)的實(shí)施例，每個(gè)實(shí)施例的各部分可W與上 述其他實(shí)施例的全部或部分組合。
[0077] 盡管已經(jīng)用結(jié)構(gòu)特征和/或方法動(dòng)作的專用的語(yǔ)言描述了主旨，應(yīng)該理解的是， 在所附權(quán)利要求中定義的主旨不必限制為上述特定特征或動(dòng)作。而是，上述特定特征和動(dòng) 作被描述為用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求的示例形式。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種過(guò)程變送器，包括： 設(shè)備電路，生成要在電流回路上傳送的值； 在所述電流回路和所述設(shè)備電路之間串聯(lián)的串聯(lián)控制晶體管；以及 飽和防止電路，防止所述串聯(lián)控制晶體管進(jìn)入飽和。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的過(guò)程變送器，其中所述飽和防止電路通過(guò)防止所述串聯(lián)控制 晶體管兩端的電壓降至飽和電壓以下來(lái)防止所述串聯(lián)控制晶體管進(jìn)入飽和。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的過(guò)程變送器，其中所述飽和防止電路保持所述串聯(lián)控制晶體 管兩端的電壓，使得所述電壓與所述飽和防止電路中二極管兩端的前向偏置電壓基本上相 等。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的過(guò)程變送器，其中所述飽和防止電路包括分流晶體管，所述 分流晶體管具有與所述串聯(lián)控制晶體管的集電極耦合的發(fā)射極和通過(guò)包括所述二極管的 傳導(dǎo)路徑與所述串聯(lián)控制晶體管的基極耦合的基極。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的過(guò)程變送器，其中所述分流晶體管的發(fā)射極與所述串聯(lián)控制 晶體管的集電極直接連接。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的過(guò)程變送器，其中所述分流晶體管的基極和所述串聯(lián)控制晶 體管的基極之間的傳導(dǎo)路徑包括三個(gè)二極管。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的過(guò)程變送器，其中所述二極管中的至少兩個(gè)相匹配。8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的過(guò)程變送器，其中所述串聯(lián)控制晶體管與所述分流晶體管相 匹配，以提供基本上相似的基極-發(fā)射極壓降。9. 一種過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，包括： 控制回路連接器，用于與過(guò)程控制回路連接； 設(shè)備電路；以及 在控制回路連接器和設(shè)備電路之間串聯(lián)的電流調(diào)節(jié)器，其中所述電流調(diào)節(jié)器控制所述 控制回路上的電流電平，并提供具有最大功率的功率輸出，所述最大功率與在過(guò)程控制回 路上提供的電壓成比例。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其中所述電流調(diào)節(jié)器包括串聯(lián)晶體管和偏 置電路，所述串聯(lián)晶體管的偏置電路防止所述串聯(lián)晶體管飽和。11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其中所述偏置電路通過(guò)限制所述串聯(lián)晶體 管兩端的集電極-發(fā)射極電壓降至二極管兩端的前向偏置壓降以下，來(lái)防止所述串聯(lián)晶體 管飽和。12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其中所述偏置電路包括二極管和分流晶體 管，所述分流晶體管從所述設(shè)備電路分走電流。13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其中所述偏置電路還包括用于防止所述分 流晶體管的反向擊穿的電路元件。14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其中用于防止所述分流晶體管的反向擊穿的所 述電路元件包括第二二極管。15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其中所述二極管的陽(yáng)極與所述串聯(lián)晶體 管的基極連接，所述二極管的陰極與第三二極管的陽(yáng)極連接，所述第三二極管的陰極與第 二二極管的陰極連接，并且第二二極管的陽(yáng)極與所述分流晶體管的基極連接。16. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，還包括在電流調(diào)節(jié)器和設(shè)備電路之間串聯(lián) 的開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器。17. -種過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，包括： 兩個(gè)回路連接器，用于與電流回路連接； 設(shè)備電路；以及 在兩個(gè)回路連接器之一和設(shè)備電路之間串聯(lián)的電流控制器，其中所述電流控制器能夠 控制所述電流回路中的電流電平，同時(shí)針對(duì)所述電流回路中的多個(gè)電流電平在所述電流回 路和所述設(shè)備電路之間提供固定的壓降。18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其中所述電流控制器被固有地防止沿所述 電流回路的電流方向提供比固定壓降小的壓降。19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其中所述電流控制器包括串聯(lián)晶體管、分 流晶體管和至少一個(gè)二極管，使得電流回路和處理電路之間的壓降在串聯(lián)晶體管兩端，并 且所述至少一個(gè)二極管和所述分流晶體管固有地防止所述串聯(lián)晶體管兩端的壓降小于所 述至少一個(gè)二極管兩端的前向偏置電壓。20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其中所述電流控制器還包括兩個(gè)附加的二 極管，其中所述兩個(gè)附加的二極管之一實(shí)質(zhì)上防止所述分流晶體管進(jìn)入反向擊穿狀態(tài)。21. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其中所述電流控制器包括串聯(lián)晶體管、分 流晶體管和放大器，其中所述放大器與所述分流晶體管的基極連接并驅(qū)動(dòng)所述分流晶體管 以保持所述串聯(lián)晶體管兩端的壓降。22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其中所述電流控制器還包括與所述設(shè)備電 路連接的第一分壓器和與所述電流回路連接的第二分壓器，其中放大器的非反相輸入與第 一分壓器連接，并且放大器的反相輸入與第二分壓器連接。23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其中所述第二分壓器通過(guò)二極管與電流回 路連接。
【文檔編號(hào)】G05F1/567GK106020319SQ201510638773
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2015年9月30日
【發(fā)明人】克拉倫斯·埃德沃德·霍姆斯塔德, 羅伯特·歐內(nèi)斯特·拉洛奇, 史蒂文·J·麥科伊
【申請(qǐng)人】羅斯蒙特公司