專利名稱：集成電流源反饋和限流元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及本質(zhì)安全負(fù)載的電源。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及為符合本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)而限制輸送到負(fù)載的電流的電路系統(tǒng)。
一種這類保護(hù)方式是建立電路的本質(zhì)(或固有)安全性。制訂本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)的管理協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)是比如美國(guó)的保險(xiǎn)商試驗(yàn)室(UL)、歐洲的歐洲電工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(CENELEC)、加拿大的加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(CSA)以及日本的勞動(dòng)省產(chǎn)業(yè)安全研究所(TIIS)。為了達(dá)到本質(zhì)安全性，電路的電流、功率和電壓被限定在一定的電平，以避免電路產(chǎn)生的火花或者發(fā)熱引燃爆炸物。
向本質(zhì)安全電路供電是一個(gè)問(wèn)題。電功率、電壓和電流被限定在不至于引燃爆炸物的電平。因此，電源中需要有用來(lái)限制輸送給本質(zhì)安全裝置的功率、電壓和電流的部件。
在傳統(tǒng)的電源中，通過(guò)在把電源連接到輸出端的供電線路的兩端連接一個(gè)或多個(gè)穩(wěn)壓二極管來(lái)限制電壓。穩(wěn)壓二極管把電壓限定在V。由串聯(lián)在高壓輸出端的阻值為R的電阻提供限流。該電阻把電流限定在V/R。功率受控于對(duì)電流和電壓的限制。
提供限制的部件，即這些二極管和電阻，必須受到保護(hù)以避免故障發(fā)生時(shí)超過(guò)其標(biāo)定的額定值。通常在電路中加熔絲來(lái)限定可能輸送給這些部件的電流量。選定的熔絲的額定值使得功耗不會(huì)超過(guò)額定值。
雖然本質(zhì)安全性標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有要求，但是在電源電路中常加入限流電路以避免熔絲受沖擊。限流電路結(jié)構(gòu)可能在電源的高壓側(cè)也可能在低壓側(cè)。許多限流電路的結(jié)構(gòu)包括把電流轉(zhuǎn)換成電壓的電阻以提供與電流成比例的反饋。進(jìn)行與參考電壓的比較。該比較用于調(diào)節(jié)串聯(lián)元件的阻抗。增加限流電路帶來(lái)的一個(gè)問(wèn)題是，電流到電壓的轉(zhuǎn)換增加了輸出電阻，在為符合本質(zhì)安全性標(biāo)準(zhǔn)而損失必要的電壓之后又增加了電壓損失。
解決方案本發(fā)明解決上述及其它問(wèn)題，并且用具備本發(fā)明的集成電流源反饋和限流元件的電源改善了先有技術(shù)。集成電流源反饋和限流元件的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，對(duì)于對(duì)本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)必須受到限制的電壓，將電壓損失減至最小。第二優(yōu)點(diǎn)是減少了電源的元件數(shù)，即降低了制造電源的成本。
根據(jù)本發(fā)明，把功率限制電路中的電流轉(zhuǎn)換電阻的功能和隔離輸出電阻的功能結(jié)合在一起。這使得輸出電阻不會(huì)超過(guò)避免引燃爆炸物所需的電阻。通過(guò)把限流電路部分移到所述隔離電阻之后的某點(diǎn)以建立組合功能。具體地說(shuō)，把變阻抗器件移到隔離電阻之后的某點(diǎn)。變阻抗器件的一個(gè)例子是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
當(dāng)移動(dòng)MOSFET晶體管時(shí)，有兩個(gè)到輸出端的新通路。一個(gè)是運(yùn)算放大器控制輸出，一個(gè)是來(lái)自隔離電阻的反饋。在每個(gè)通路上，高阻抗的運(yùn)算放大器以及MOSFET晶體管柵極具有比隔離電阻相對(duì)大的阻值。整個(gè)隔離電阻是通路上電阻的組合，它們輸入到MOSFET晶體管柵極和運(yùn)算放大器輸入端。這限定了電源的輸出電阻，它小到與單獨(dú)的隔離電阻相比可以忽略不計(jì)。
本發(fā)明的一個(gè)方面是向本質(zhì)安全電路供電的電路，它包括電源、連接到所述負(fù)載的輸出端、在所述電源和所述結(jié)點(diǎn)之間的限壓電路、以及包括隔離電阻的限流電路，該隔離電阻把電流轉(zhuǎn)換成電壓、用于在運(yùn)算放大器中進(jìn)行比較并且限制加到所述負(fù)載的電流。
本發(fā)明的第二方面是熔絲，它限制由所述電源加到所述限壓電路和所述限流電路的電流的大小。
本發(fā)明的第三方面是齊納二極管，它連接在從所述電源到所述接線端的供電線路之間。
本發(fā)明的第四方面是所述限流電路包括可變阻抗器件，它連接到所述運(yùn)算放大器的輸出端。
本發(fā)明的第五方面是可變阻抗器件是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
本發(fā)明的第六方面是所述MOSFET的一個(gè)柵極連接到所述輸出端，而第二柵極連接到所述電源。
本發(fā)明的第七方面是所述限流電路還包括第一電阻，它連接在所述運(yùn)算放大器的輸出端和所述MOSFET晶體管之間。
本發(fā)明的第八方面是所述限流電路還包括第二電阻，它連接在所述電源和所述MOSFET晶體管之間。
本發(fā)明的第九方面是所述限流電路還包括第三電阻，它連接在所述MOSFET晶體管和所述運(yùn)算放大器的輸入端之間。
詳細(xì)描述本發(fā)明的電源使得總輸出電阻不會(huì)超過(guò)危險(xiǎn)環(huán)境中不致引燃爆炸物所需的電阻。一般的本質(zhì)安全電源100圖示于

圖1，以說(shuō)明依據(jù)本發(fā)明的電源和一般本質(zhì)安全電源之間的區(qū)別。
本質(zhì)安全電源100是一種電源，它輸送給負(fù)載足夠的功率使其可以正常工作，同時(shí)限定最壞情況下的電壓、電流和功率電平不至于引燃危險(xiǎn)物料。限壓電路101限定負(fù)載電壓。電源100中，限壓電路是連接在通路110和120之間的齊納二極管Z1。本專業(yè)的技術(shù)人員會(huì)意識(shí)到可以在通路110和120之間連接一個(gè)以上的齊納二極管來(lái)限制電壓。為了討論，限壓電路101把負(fù)載(未示出)兩端的電壓限制為Vz。
瞬時(shí)電流限制電路102限制負(fù)載的瞬時(shí)電流。在電源100中，瞬時(shí)電流限制電路包括與輸出端T1和T2串聯(lián)的電阻Rb。在這個(gè)實(shí)施例中，電阻Rb沿通路110連接在正輸出端T1和電源PS之間。這就把瞬時(shí)電流在限制Vz/Rb，這里Rb是電阻Rb的阻值。輸送給(未標(biāo)示出的)負(fù)載的功率由電壓和電流的限定值來(lái)限定。
熔絲F1連接在電源PS和正輸出端T1之間，以便在電路故障時(shí)保護(hù)限壓電路101和瞬時(shí)電流限制電路102。熔絲F1避免限壓電路101和瞬時(shí)電流限制電路102超過(guò)標(biāo)定的器件額定值。
平均電流限制電路103避免輸出端T1和T2短路時(shí)熔絲F1熔斷。有許多眾所周知的限流結(jié)構(gòu)可以用來(lái)建立平均電流限制電路103。在電源100中，平均電流限制電路由下列器件構(gòu)成。晶體管Q1的集電極連接到負(fù)輸出端T2。晶體管Q1的發(fā)射極連接到電阻Rv。電阻Rv把自身電流轉(zhuǎn)換成電壓以提供與電流成正比的反饋。運(yùn)算放大器OA的一個(gè)輸入端連接到晶體管Q1的發(fā)射極和電阻Rv之間。參考電壓ref也加到運(yùn)算放大器OA以進(jìn)行比較。然后運(yùn)算放大器OA的輸出連接到晶體管Q1的柵極，基于比較結(jié)果的電流加到柵極以調(diào)節(jié)晶體管Q1的阻抗。其限制電流設(shè)在Ilim＝Vref/Rv，其中Ilim是限制電流，Vref是參考電壓REF，Rv是電阻Rv的阻值。
本專業(yè)的技術(shù)人員會(huì)意識(shí)到，通過(guò)表征引發(fā)爆炸物的功率和能量的表格和計(jì)算式來(lái)限制電源100中器件的值。通常情況下，負(fù)載(未標(biāo)出)連接到輸出端T1和T2，傳輸?shù)碾娏骱碗妷簱p失在輸出電阻上。為使功率傳輸最大化，要求把輸出電阻限制在避免引燃爆炸物的必要值。
增加平均電流限制電路103帶來(lái)的問(wèn)題是，在避免引爆的電壓限定值之外附加了電壓損失。因?yàn)殡妷恨D(zhuǎn)換電阻加在總輸出電阻上，所以電壓有損失。
圖示于圖2的電源200根據(jù)本發(fā)明解決了這個(gè)問(wèn)題。電源200是本質(zhì)安全電源，它限制向(未標(biāo)示出的)負(fù)載輸送的電流、功率和電壓。限壓電路201限制負(fù)載的電壓。在電源200中，限壓電路201是跨接在通路210和220之間的齊納二極管Z1。本專業(yè)的技術(shù)人員會(huì)意識(shí)到可以在通路210和220之間連接多個(gè)齊納二極管來(lái)限定電壓。為了討論，限壓電路限定的(未標(biāo)示出的)負(fù)載的電壓是Vz。
根據(jù)本發(fā)明，限定瞬時(shí)和平均電流的功能組合在一個(gè)電路。兩個(gè)功能用一個(gè)電路使得總輸出電阻減少到避免引燃爆炸物所需的阻值。這是通過(guò)把平均電流限制電路的器件移到瞬時(shí)電流限制電路之后而實(shí)現(xiàn)的。具體地說(shuō)，可變阻抗器件，即晶體管Q1移到隔離電路之后的某點(diǎn)。移動(dòng)可變阻抗器件形成到輸出端T1和T2的兩個(gè)新通路。這些新通路是運(yùn)算放大器OA的輸出和來(lái)自轉(zhuǎn)換電阻的反饋。因此，總輸出電阻是沿著這兩個(gè)新通路和到電源PS的通路210的各電阻的并聯(lián)組合。
在電源200中，根據(jù)本發(fā)明的限流電路202是以下列方式建立的。MOSFET晶體管Q1的發(fā)射極連接到負(fù)輸出端T2。隔離電阻R3沿通路220在晶體管Q1和電源PS之間。第二電阻R2連接在晶體管Q1的發(fā)射極和運(yùn)算放大器OA的輸入端之間以產(chǎn)生比較電壓。運(yùn)算放大器OA的輸入端連接到電阻R2，同時(shí)運(yùn)算放大器還接收參考電壓REF。運(yùn)算放大器OA完成比較，輸出電流到晶體管Q1的柵極以調(diào)節(jié)晶體管Q1的阻抗。電阻R1連接在運(yùn)算放大器OA和晶體管Q1的柵極之間。本專業(yè)的技術(shù)人員會(huì)意識(shí)到，電阻R1、R2和R3的值可以很大，而總輸出電阻是這三個(gè)電阻的并聯(lián)組合，它小到和隔離電阻相比可以忽略。因此功率傳輸?shù)玫絻?yōu)化。
一種需要電源200作電源的電子裝置是運(yùn)行在危險(xiǎn)環(huán)境下的科里奧利流量計(jì)。圖3圖示配備電源200的科里奧利流量計(jì)300?？评飱W利流量計(jì)300包括儀表裝置310和儀表電子線路350。儀表電子線路350通過(guò)引線320連接到儀表裝置310，以便經(jīng)由通路375例如提供(但不限于)密度、質(zhì)量流速、體積流速和總質(zhì)量流速信息。盡管本專業(yè)的技術(shù)人員可清楚地看到本發(fā)明可以用于其本質(zhì)安全電路需要本質(zhì)安全電源的任何裝置，但這里只說(shuō)明科里奧利流量計(jì)結(jié)構(gòu)。
盡管本專業(yè)的技術(shù)人員可清楚地看到本發(fā)明可以用于具有振動(dòng)管路以便測(cè)量流經(jīng)該管路的物質(zhì)的特性的任何裝置，但這里只說(shuō)明科里奧利流量計(jì)結(jié)構(gòu)。這類裝置的第二例子是振動(dòng)管路比重計(jì)，它沒(méi)有科里奧利質(zhì)量流量計(jì)提供的附加測(cè)量功能。
計(jì)量裝置310包括一對(duì)法蘭301和301′、分接頭302及管路303A和303B。驅(qū)動(dòng)器304、拾取傳感器306和306′以及溫度傳感器307連接到管路303A和303B。支撐板塊305和305′用于確定每個(gè)管路振蕩的軸線W和W′。
當(dāng)把科里奧利流量計(jì)300接入傳送待測(cè)量物質(zhì)的(未標(biāo)示出的)管路系統(tǒng)時(shí)，待測(cè)量物質(zhì)由法蘭301進(jìn)入儀表裝置310，通過(guò)分接頭302進(jìn)入管路303A和303B。然后待測(cè)量物質(zhì)流過(guò)管路303A和303B返回分接頭302，并在此經(jīng)法蘭301′退出儀表裝置310。
選擇管路303A和303B并適當(dāng)安裝在分接頭302上，以便使其對(duì)曲軸W-W和W＇-W′分別具備相同的質(zhì)量分布、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和彈性模量。管路303A-303B從分接頭以必要的并列方式向外伸展。
驅(qū)動(dòng)器304以相對(duì)于它們各自的曲軸W和W′的相反方向驅(qū)動(dòng)管路303A-303B，此方式稱為流量計(jì)的第一異相彎模式(the first outof phase bending mode of the flowmeter)。驅(qū)動(dòng)器304可以包括任何一種眾所周知的結(jié)構(gòu)，比如安裝在管路303A的磁體和安裝在管路303B的反向線圈并由此通入交流電流以振動(dòng)兩管路。恰當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)信號(hào)由儀表電子線路350通過(guò)線路312加到驅(qū)動(dòng)器304。
在管路相反的兩端，管路303A和303B至少一個(gè)固定了拾取傳感器306和306′，以測(cè)量管路的振動(dòng)。當(dāng)管路303A-303B振動(dòng)時(shí)，拾取傳感器306-306′產(chǎn)生第一拾取信號(hào)和第二拾取信號(hào)。第一拾取信號(hào)和第二拾取信號(hào)加到線路311和311′。驅(qū)動(dòng)器速度信號(hào)加到通路310。
溫度傳感器307固定在至少一根管道即303A以及/或者303B上。溫度傳感器307測(cè)量管道的溫度以調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度的平衡。線路311″從溫度傳感器307向儀表電子線路350傳送溫度信號(hào)。
儀表電子線路350接收出現(xiàn)在線路311和311′上的第一和第二拾取信號(hào)。儀表電子線路350處理所述第一和第二速度信號(hào)以計(jì)算通過(guò)儀表裝置310的物資的質(zhì)量流速、比重或其它特性。計(jì)算信息由儀表電子線路350通過(guò)線路375提供給(未標(biāo)示出的)應(yīng)用裝置。
本專業(yè)的技術(shù)人員會(huì)知道所述科里奧利流量計(jì)300在結(jié)構(gòu)上很類似于振動(dòng)管比重計(jì)。振動(dòng)管比重計(jì)也使用振動(dòng)管，管內(nèi)有液體流動(dòng)，或者取樣型比重計(jì)的情況，其中管內(nèi)有液體。振動(dòng)管比重計(jì)也使用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以驅(qū)動(dòng)管道振動(dòng)。因?yàn)楸戎販y(cè)量只需要頻率測(cè)量而不需要相位測(cè)量，所以通常振動(dòng)管比重計(jì)只需要一路反饋信號(hào)。本發(fā)明這里的說(shuō)明同樣適用于振動(dòng)管比重計(jì)。
在科里奧利流量計(jì)300中，儀表電子線路350物理上分成兩部分主系統(tǒng)370和信號(hào)調(diào)節(jié)器360。傳統(tǒng)的儀表電子線路中，這些部分裝在一個(gè)單元里。
信號(hào)調(diào)節(jié)器360包括驅(qū)動(dòng)電路363和拾取調(diào)節(jié)電路361。本專業(yè)的技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，實(shí)際的驅(qū)動(dòng)電路363和拾取調(diào)節(jié)電路361可以是分立的模擬電路，也可以是由數(shù)字信號(hào)處理器或者其它數(shù)字器件組成的分立功能塊。驅(qū)動(dòng)電路363產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)并且通過(guò)通路320的通路312把驅(qū)動(dòng)信號(hào)加到驅(qū)動(dòng)器304。實(shí)際上通路312是第一和第二引線。驅(qū)動(dòng)電路363通過(guò)通路362以通信聯(lián)絡(luò)的方式連接到拾取信號(hào)調(diào)節(jié)電路361。通路362使驅(qū)動(dòng)電路得以監(jiān)控進(jìn)來(lái)的拾取信號(hào)以調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路363和拾取信號(hào)調(diào)節(jié)電路361的功率由主系統(tǒng)370通過(guò)第一線路373和第二線路374提供。第一線路373和第二線路374可以是部分傳統(tǒng)的2芯、3芯電纜或者部分多芯電纜。
拾取信號(hào)調(diào)節(jié)電路361經(jīng)由通路311、311′和311″接收來(lái)自第一傳感器305、第二傳感器305′和溫度傳感器307的輸入信號(hào)。拾取電路361確定拾取信號(hào)的頻率，也可以確定流過(guò)管道303A-303B的物資的特性。在確定了拾取傳感器305-305′的輸入信號(hào)頻率和物資特性后，產(chǎn)生包含這些信息的參數(shù)信號(hào)并通過(guò)通路376將其傳送給主系統(tǒng)370的二次處理單元371。在優(yōu)選實(shí)施例中，通路376包括2根線。然而，本專業(yè)的技術(shù)人員會(huì)看出，通路376可以由第一線路373和第二線路374或者任何其它數(shù)目的線路來(lái)實(shí)現(xiàn)。
主系統(tǒng)370包括電源372和處理系統(tǒng)371。電源372從能源接收電力并將其轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需的合適功率。處理系統(tǒng)371從拾取信號(hào)調(diào)節(jié)電路361接收參數(shù)信號(hào)，然后可以處理用戶需要的流經(jīng)管道303A-303B的物質(zhì)的特性。這些特性可以包括但不限于比重、質(zhì)量流速和體積流速。
在本實(shí)施例中，電源372包括圖2所示的電源200的電路系統(tǒng)。這使電源372得以提供符合對(duì)信號(hào)調(diào)節(jié)器360本質(zhì)安全限制的功率，它包括符合本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)的電路。
以上是對(duì)本發(fā)明的電源電路的說(shuō)明，該電路具有集成電流源反饋和限流元件。預(yù)期本專業(yè)的技術(shù)人員會(huì)直接或通過(guò)推論設(shè)計(jì)出違背以下權(quán)利要求書中闡明的本發(fā)明的另外的系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種用于向本質(zhì)安全負(fù)載供電的電路(200)，它包括電源(PS)；連接到所述本質(zhì)安全負(fù)載的輸出端(T1-T2)；在所述電源和所述輸出端之間的限壓電路(Z1)；以及包括隔離電阻的限流電路(202)，該隔離電阻把電流轉(zhuǎn)換成電壓，用于在運(yùn)算放大器(OA)中進(jìn)行比較，從而限制加到所述負(fù)載的電流。
2.如權(quán)利要求1所述的電路(200)，其特征在于還包括熔絲(F1)，它限制由所述電源加到所述限壓電路和所述限流電路的電流的大小。
3.如權(quán)利要求1所述的電路(200)，其特征在于所述限壓電路包括二極管(Z1)，它連接在從所述電源到所述接線端的供電線路(210)之間。
4.如權(quán)利要求1所述的電路(200)，其特征在于所述限流電路(202)包括可變阻抗器件(Q1)，它連接到所述運(yùn)算放大器(OA)的輸出端。
5.如權(quán)利要求4所述的電路(200)，其特征在于所述可變阻抗器件(Q1)是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
6.如權(quán)利要求5所述的電路(200)，其特征在于所述MOSFET的一個(gè)柵極連接到所述輸出端，第二柵極連接到所述電源。
7.如權(quán)利要求6所述的電路，其特征在于所述限流電路還包括第一電阻(R1)，它連接在所述運(yùn)算放大器的輸出端和所述MOSFET晶體管之間。
8.如權(quán)利要求7所述的電路，其特征在于所述限流電路還包括第二電阻(R3)，它連接在所述電源和所述MOSFET晶體管之間。
9.如權(quán)利要求8所述的電路，其特征在于所述限流電路還包括第三電阻(R2)，它連接在所述MOSFET晶體管和所述運(yùn)算放大器的輸入端之間。
10.如權(quán)利要求9所述的電路，其特征在于所述負(fù)載是用于科里奧利流量計(jì)的儀表電子線路。
全文摘要
一種用于向本質(zhì)安全負(fù)載供電的電路(200)，所述電路具有集成電流源反饋和限流元件。所述電路(200)包括電源(PS)和把所述電路連接到本質(zhì)安全負(fù)載的輸出端(T1－T2)。所述電源(PS)和輸出端(T1－T2)之間的限壓電路(Z1)限制負(fù)載兩端的電壓。限流電路(202)包括隔離電阻，后者把電流轉(zhuǎn)換成電壓以便在運(yùn)算放大器(OA)中進(jìn)行比較、以調(diào)節(jié)可變阻抗器件(Q1)的阻抗，從而限制加到所述負(fù)載的電流。
文檔編號(hào)H02H9/00GK1430804SQ01810183
公開(kāi)日2003年7月16日 申請(qǐng)日期2001年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月31日
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