新型两线制仪表用电源电路的制作方法

本实用新型属于电源技术领域，尤其是涉及新型两线制仪表用电源电路，尤其是适用于有传感器进入防爆标准定义的0区的需要本质安全电路的仪表。

背景技术：

目前，工业自动化领域内现场测量仪表中两线制变送器越来越普遍，它使用两个电源线形成一个回路，输出信号以控制电源直流4-20mA的形式传输，智能变送器数字信号也可以叠加在这上面。

但是现在通用的做法是直接降压，结果就是降压前后电源电流基本相同，能量得不到有效利用，大部分都损失用作降压的电子电路上了。比如电路部分是3.3V电源，系统最小电流为3.7mA，可利用总功率只有 3.3*3.7＝12.2mW。并且随着技术的进步智能技术的普及，仪表功耗需求成倍提高，加上各个国家的自动化仪表电磁兼容(EMC)和防爆要求越来越高，仪表部分智能化水平也越来越高，CPU的工作频率在不断上升，向外传导干扰增大，功耗在不断加大，防爆要求则反向而行，要求可能接触物料的电子部件携带的能量越来越小。所有这些都对原有直接降压非隔离电源电路构成致命挑战。

如何设计一种输出稳定、能量损耗低、电磁兼容和防暴等级高的电源电路成为本领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型旨在提供一种输出稳定、能量损耗低、电磁兼容和防暴等级高的两线制仪表用电源电路。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种新型两线制仪表用电源电路，包括变压器隔离逆变电路和初级稳压电路；所述初级稳压电路包括场效应管Q1和主要由运算放大器U1A组成的运算放大电路,所述变压器隔离逆变电路包括变压器T1，所述运算放大器 U1A的同相端输入参考电压，所述运算放大器U1A的输出端连接场效应管Q1 的栅极，所述场效应管Q1的源极为所述变压器T1及所述运算放大器U1A供电，所述场效应管Q1的漏极连接电源电路的输入端，所述变压器T1包括第一次级和第二次级，所述第一次级经整流滤波后作为电源的输出，所述第二次级经整流滤波电路后反馈给运算放大器U1A的反相端。

所述第一次级的低电位端接大地。

所述整流滤波电路包括整流电路和滤波电路，所述整流电路为整流二极管电路电路，所述滤波电路为RC滤波电路。

所述变压器T1的初级与第一次级的变比大于1。

所述变压器隔离逆变电路为线性变压器隔离逆变电路。

所述变压器T1的初级与第一次级的变比为三到五。

所述场效应管Q1的漏极与电源电路的输入端之间设有防反接二极管 D1。

所述变压器T1包括可生成高频正弦波来驱动其初级的推挽逆变器，所述运算放大电路为负反馈式运算放大电路。

相对于现有技术，本实用新型所述的新型两线制仪表用电源电路具有以下优势：

由于采用上述技术方案：

1.本实用新型由于使用了两级稳压和线性变压器逆变，电源稳定性和耐冲击能量大幅提高，并且逆变频率频谱单一，便于EMC电路设计，便于两侧电路的高频传导的阻隔，也便于叠加的数字通讯信号传输；同时，本实用新型由于使用了变压器电路隔离，可以转化多倍的能量，使得仪表电源能够提供更大的电流需求，可以胜任多数智能仪表电路的供电。

2.本实用新型由于存在逆变变压器变比3-5，在后级电路抗EMC电压冲击相同的基础之上，变送器入口的要求就大大降低了。

3.本实用新型由于使用了变压器电路隔离了，后级电路可以接大地，这样进一步提高电路的稳定性，有助于提高仪表的性能；同时后级电路接大地，使得本安防爆要求的电压也降低了，无形中放宽了要求，少了约束就可以更好地发挥仪表的极限性能了。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是本实用新型的电路原理图；

图2是现有技术的电路原理图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

如图1所示，首先，采用标准反馈式稳压电源的模式，有别于传统两线制电源电路部分(如图2所示)设计的一个重要区别是，不直接生成最终使用的电源电压，而是为能耗着想，尽量留出较高电压，形成第一级稳压，这个电压允许要求不高，在实际中可以选择12-21V，我们选择16.5V，这样经逆变后可得到更多的能量。其中为运算放大器U1A，它将经变压器反馈回来的电压与标准电压比较、放大来控制场效应管Q1的阻抗，从而调整Q1输出的电压。

Q1输出的较高的电压作为运算放大器U1A和推挽逆变器的电源，推挽逆变器则生成一个高频正弦波，驱动变压器T1的初级。由于正弦波频谱比较纯净，易于EMC电路设计。

变压器T1的输出分成两个独立的次级，其中第二次级，称为次级电压信号，经D2整流C3滤波，形成一个电压，反馈给运算放大器U1A。

第一次级经整流滤波稳压形成一个电源，即形成第二级稳压，这是仪表内部最终使用的电源VOUT3.3V，电压一般为3.3V，这个电源低端是接大地的。即电源电路采用两级式电压转换，形成最终输出电压。

理论上变压器初级次级线匝比可以为5:1，但在实际当中，为了考虑电源受EMC规定的冲击造成的电源变化，可以采用4:1甚至3:1。

增加逆变电路，由变送器的入口取一个稳定的最小电压，比如绝大多数安全栅最小输出电压为17V，我们选16.5V，隔离逆变成3.3V，相当于变比 5:1，而能量则为16.5V*3.7mA＝61.01mW,考虑逆变效率80％，仍有48.8mW，由此可见可利用的能量提升了400％。

由于存在变比5:1，在后级电路抗EMC电压冲击相同的基础之上，变送器入口的要求就降低至原来的20％。

并且，由于电路隔离了，后级电路可以接大地，这样还可以提高电路的稳定性，方便电路做大胆的设计，比如提高放大器的增益。在原始通用电源设计的情况下，电路是浮地的，通常这个浮地接近变送器负端电位，而负端一般是接一个采样电阻，标准值为250欧姆，在正常情况下，假设回路电流 20mA，负端最高电位相对于大地可以高达5V，再加上仪表自用电源电压，这无形中提高了在本安防爆设计中的电路设计难度，要保证符合本安防爆标准的能量，就必须限制到更低的电流。而输出电路低端接大地，则没有了这个额外的烦恼，只需计算仪表自用电源电压的危险就行了，无形中放宽了要求，少了约束就可以更好地发挥仪表的极限功能了。

由于使用了线性变压器逆变，因此逆变频率频谱单一，便于两侧电路的高频传导的阻隔，便于EMC电路设计，也便于叠加的数字通讯信号传输。

本电源电路使用变压器T1的一个次级绕组作为负反馈信号，可以线性隔离降压，输出稳定，纹波很低，可以有效抑制浪涌和快速脉冲群等干扰信号，适用于普通或HART等智能通讯两线制仪表，尤其是适用于有传感器进入防爆标准定义的0区的需要本质安全电路的仪表。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。