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。
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,废能利用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 11 µA 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: