回路供电技术及其应用

        一、概述
　　在过程控制系统中仪表的测量和控制信号的传送除采用各种现场总线方式外，大部分仪表都采用模拟方式进行传送，通常采用4～20mA标准信号，也有少数仪表采用1～5mA或10～50mA标准信号。在温度、压力、液位以及PH值等的测量中，普遍使用的二线制变送器，它在输出4～20mA测量信号的二根导线上，同时向变送器供给24V电源，其应用的就是回路供电技术。
　　回路供电技术不仅在变送器中应用，而且也在显示器和信号隔离器等仪表中应用。由于回路供电技术具有很多优点，国外很多仪表公司发展了许多新产品。特别是近年来，微功耗集成电路的飞速发展促进了回路供电技术的发展。本文重点介绍应用该技术拓展的一些新产品及其应用。
         二、什么叫回路供电（Loop powered）
        仪表有电子线路构成的仪表都需要供给直流电源，许多仪表采用外部电源

供电，如果用交流供电，仪表中则需要增加交直流转换电路，因此仪表的电源供给回路和信号输出或输入回路往往是分开的。而在过程控制系统中，有些仪表通过它的信号输出或输入回路向仪表供给电源，这类仪表我们称之谓回路供电仪表，也有的称它为二线制仪表。
　　图1是采用24V供电的变送器，变送器的输出电流4～20mA也通过供电线传送。4～20mA是测量值的变化范围，也就是说4mA 是零点，20mA是满度。如果这是一个测量范围为0～100℃的温度变送器，那么4mA表示测量对象是在0℃，而20mA时表示测量对象的温度为100℃。 

　　有人会问为什么要使用4～20mA信号传送，而不使用0～20mA信号传送呢？事实上变送器中的电子线路需要耗电，0mA无法使变送器工作，而4mA就是为了向仪表提供电能，保证变送器内的电子线路的正常工作。用4mA是根据当时的半导体集成电路的微功耗水平而制定的。
         三、回路供电仪表的优点
　　1. 仪表的功耗低，都是毫瓦级的2. 可以长距离传送信号，而不影响精度3. 由于仪表的功耗小，电路的发热也低，因此仪表内部温升小。温升小使得仪表输出信号的温度飘移也小，从而提高了测量精度。4. 由于采用二线制，所以布线成本、安装和维护成本都有所降低。5. 由于采用4～20mA电流传送信号，所以抗干扰性能好。6. 很多电子仪表的外壳要考虑散热设计，往往需要开出气孔，由于二线制仪表功耗低，所以壳体对发热的影响可以忽略不计，因此很容易设计各种高防护等级的密封外壳。如果采用－40℃～+85℃工业级电子元器件设计的现场仪表就很适合野外安装。
        四、回路供电技术在显示器中的应用
         4～20mA回路供电显示器与传统的指针式电流测量表头很相似，如图2所示。图2（a）为指针式表头，图2（b）为数字式表头，两者4～20mA电流都是从“+”端输入，从“－”端输出。早期变送器如罗斯蒙特1151压力变送器，现场显示都采用指针式表头，通常用百分比刻度表示4～20mA。它的优点是表的功耗小，缺点是怕振动，百分比读值不直观。有了回路供电数字显示器以后，能很直观地显示测量值的大小，不必通过用百分比来换算，量程可以编程设置，使用十分方便。

　　1. 回路供电显示器工作原理
       回路供电显示器（Loop Powered Indicator）也有人称之谓无源显示器，显示器内部没有电源供电单元，显示器内部电子线路的供电来自显示器输入的4～20mA被测量的信号电流。通常它的起始工作电流在3.5mA以下，当然这个电流越低越好。它的简单工作原理如图3所示。

        它由稳压管D1，采样电阻Rin，测量显示控制电路和LED/LCD显示器件组成。由于测量、显示控制电路需要电源，这里电源就取自稳压管D1的两端，稳压管的静态功耗要小，通常选用几十微安大小，让流过稳压管的电流大部分旁路给测量、显示控制电路。为保证它足够的电源供给应采用静态电流小的稳压管，如LM431L等基准电压参考源比较符合要求，这些基准电压参考源可以调整输出电压的大小。信号的测量是通过Rin 上的电流大小转变为电压供电子线路测量的，该电阻通常在10Ω左右。由于测量端Rin上的电压是负值，所以测量控制电路中应该包含负电源发生电路，保证放大器能测量负信号。测量、显示控制电路可以是用7126、7107等电路，也可以采用SOC大规模系统级处理器芯片。回路供电显示器的一个重要指标是输入电压降Vd 　(Input voltage drop),它代表该表功耗的大小，Vd越小就越难实现，LED显示器的压降要比LCD显示器大许多倍。表一例举了部分国内外有关公司的产品性能。在LED显示器中，由上海模数仪表有限公司（SADI）生产的LDM-30-4/20回路供电显示器Vd最低能达2.5V，而德国KNICK公司830LCD显示器最低为0.5V，已达到国际先进水平。Vd的大小可以用下式表示：Vd＝VD+I×RinVD…..稳压管的压降I…..回路电流（4～20mA）Rin…..采样电阻从上式可以看出Vd是随回路电流I而改变的，Rin在10 Ω左右，所以这个变化通常很小，只有0.2V左右。厂家提供的参数是指最大电流时的压降。

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　　2.回路供电显示器的应用由于回路供电显示器不需要外供电

源，不必另外布电源线，在任何4～20mA信号经过的地方，都可以很方便安装。如有些现场变送器安装在几米高的墙上，人不便观察，那么可很方便在地面上安装一个4～20mA显示器。（如图4所示）图4的应用中，显示器是串联在4～20mA回路中，DCSI/0卡输出24V电源，该电压正端通过显示器向变送器供电，4～20mA回路电流从变送器负端进入DCS I/0卡的输入端电阻RL，在RL上产生压降供DCS测量。必须注意的是变送器的最低工作电压与显示器的电压降，以及DCS输入负载电阻RL上的压降，它们三者之和必须小于24V，系统才能正常工作。
 

　　图5介绍的NoKeVal公司的202LED回路供电显示器，该显示器可以现场安装，并可带2个固态继电器报警输出，其输入电压跌落只有7.3V。

        五、回路供电技术在隔离器中的应用
        1. 三种典型的回路供电隔离器
    （1）输入端回路供电型隔离器 （图7所示）  

    
　　对于这种隔离技术，输入输出组件线路所需的电能均来自於输入端，输入端是以回路供电的方式提供电能，回路电流通常是4～20mA标准信号，在此作为输入信号（例如，PLC输出卡），输入信号经隔离后通过输出端提供给执行器或调节器。回路供电隔离器无需附加辅助电源，使用方便。
        （2）输出端回路供电型隔离器 （图8所示）对于这种隔离技术，输入输出组件线路所需的电能均来自於输出端，输出端是以回路供电的方式获得电能（例如，PLC输入卡），回路电流通常是4～20mA标准信号，在此作为输出信号。输入端可以是各种传感器的信号，也可以是4～20mA标准信号。这种技术的重要特点是流向输出端的信号电流不仅要向隔离单元供电，而且它还要供给隔离器的负载。（例如 PLC输入卡的输入电阻）。

        （3）输出回路供电、并对输入配电型隔离器   （图9所示）对于这种隔离技术，输入输出组件线路所需的电能均来自输出端，输出端是以回路供电的方式获得电能（例如，PLC输入卡），回路电流通常是4~20mA标准信号，在此作为输出信号。此外，输入端还需要从输出端获得电能作为辅助电源，即为配电电压，该电压供各种变送器使用，变送器输出电流就是隔离器的输入电流。这种隔离方式的隔离器很方便用于变送器与PLC或DCS之间的隔离。采用回路供电的PLC或DCS输入卡就不需要另外的辅助电源。图10使用AD1562信号隔离器将变送器输出信号进行隔离，它属于输入回路供电型，信号隔离器工作能源从输入信号中获取，相当于Vd的电压，也就是对输入信号而言它的负载为信号隔离器和信号离隔离器的输出负载之和，图中 Vin="Vout"+Vd。AD1562的Vd=2V，所以当RL=250Ω时，该电路在20mA工作时信号隔离器的输入端有7V电压就能正常工作，相当于输入信号能驱动350Ω负载。图11是双通道的应用实现一进二出功能，此时Vin=Vout1+Vout2+2Vd= Vout1+ Vout2+4V。此种应用适合变送器的输出信号驱动能力大于500Ω。显示器 采用输入压降1V的LCD显示器，其输入电阻只有50Ω。采用输入压降为2.5V的LED显示器，其输入电阻为125Ω。用户可以根据变送器的输出能力选用，以实现一进二出无源隔离功能。

　　2. AD6033无源配电器AD6033无源配电器属于输出回路供电型隔离器，它实现二个功能，如图12所示，一是向变送器供电，二是将变送器输出的4～20mA信号隔离传送给DCS。

　　AD6033由于采用最新微功耗技术，使它的工作效率提高，电压跌落降低， Vd≈2V。所以通过使用它可以方便地实现变送器与DCS之间的隔离，而不再使用带辅助电源的三隔离配电器，降低成本，提高性能。其使用应该符合如下公式：VO+Vd+I×RL＜24VI：回路电流VO：变送器的工作电压，设计计算时选变送器的最低工作电压Vd：隔离器的功耗损失，这里为2V RL：为4～20mA输出回路中的负载；如果是长线传送，要考虑引线电阻。
        4. 一进二出回路供电隔离器（1）输入回路供电隔离器    
　

　图13是AD9033隔离器，它实际上是二个AD1562的输入串联而成，其应用请见图11。该隔离器其输出驱动能力比较弱，主要取决于连接隔离器输入仪表的驱动能力的大小。（2）一路输出回路供电图14是AD9031隔离器，具有一进二出的功能，从图中可看出，它由一路输出回路供电，所有功耗都由连接第一路输出的DCS供给。
 

　　它的应用公式如下：Vin+2Vd+I×（RL1+ RL2+ RO）＜24VVin：变送器的工作电压，设计时选它的最低工作电压，AD181温度变送器为8V。Vd：隔离器的功耗损失，这里为2VRL1：DCS中I/O卡输入电阻，RL1=250ΩRL2：第二输出回路的负载电阻AD3003LED显示器，RL2=150ΩRO：所有引线电阻之和
         I：工作电流取20mA 上述电路计算以后允许引线电阻小于200Ω。

这种工作方式对节能和提高变送器的寿命都有利，使变送器处于低功耗运行状态，减少发热。（3）二路输出回路供电图15是AD9032隔离器，同样具有一进二出的功能，但它是二路输出回路供电（如图所示）。它每路输出与二线制变送器一样，它的负载能力比较强，每路可达650Ω。
       六、回路供电在变送器中的应用
　　由于微功耗集成电路的静态功耗已能达到微安级水平，所以回路供电仪表的功耗也就越来越小，图16中是一个测温系统。DCS提供的功率最大不超过0.48W（24V×0.02A）就解决三台仪表的供电，而且还实现了相互隔离。

　　AD181FDA是现场安装一体化智能温度变送器，它属于输出回路供电型，工作电压8～30V，输入输出隔离，有LED数字显示。AD9033是一进二出无源隔离器，电压损耗Vd=4V，LPM-30是盘装回路供电显示器，输入电压降为3V，相当于150Ω负载。改进后压降将降到2.5V，相当125Ω负载。
        六、回路供电在报警器中的应用图17中AD6003是回路供电信号报警器，与回路供电显示器一样，它将4～20mA信号作为仪表的工作能源，继电器采用特低功耗产品。其重要指标是输入电压跌落Vind，AD6003输入电压跌落＜7V，略小于菲尼克斯MCR-SPP-1-4的7.5V。美国Acromag公司260A输入电压跌落能做到4.5V，是处于国际领先水平。

　　七、结束语                                                                  &nbs p;  
　　由于回路供电仪表功耗低，同时因不需要外接电源而可省去外接电源的导线，因此回路供电技术应该积极推广，它对国家的节约能源和原材料是很重要的。随着自动化技术的推广应用，许许多多的仪表都需要电能和原材料，如果大家重视，全国范围内节约的能源和原材料是相当可观的。