JP4258837B2 - ２線式伝送回路 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象となる物理量に対応する信号を電流信号として負荷に供給する２線式信号伝送回路に関するものである。

今日、プラント、工場内の機器、装置等において、温度、流量、圧力、液面レベル等の各種物理量を取得し、離れた制御部において制御動作を行う際、２線式信号伝送回路が使用されている。例えば、図３はその従来の回路構成を示す図である。

図３において、信号処理回路１は、図示しないセンサで検出した物理量を電気信号に変換し、出力制御部２より抵抗Ｒ６を介して制御電圧Vctrlを差動増幅器３に出力する。

この制御電圧Vctrlは、差動増幅器３の非反転入力端子（＋）に入力される。更に、この非反転入力端子（＋）には、帰還抵抗Ｒｆに関連する電圧が抵抗Ｒ５を介して入力される。また、その反転入力端子（−）には、定電圧が入力される。

そして、差動増幅器３の出力端に発生した出力電圧Vopは、抵抗Ｒ４を介してトランジスタＱ４のベース電圧として出力される。

トランジスタＱ４は、ベース（Ｂ）に供給された出力電圧Vopに従って、電流をコレクタ（Ｃ）−エミッタ（Ｅ）間に流す。例えば、トランジスタＱ４に流れる電流を同図に示すＩ２とすれば、トランジスタＱ４には抵抗Ｒ２、トランジスタＱ２を介して電流Ｉ２が流れ込み、更に抵抗Ｒ３、帰還抵抗Ｒｆを介して出力電流Ｉｏが電源４に流れ込む。

一方、トランジスタＱ１には電源４から所定の電圧が印加され、上記電流Ｉ２に比例した電流Ｉ１が信号処理回路１に供給される。即ち、トランジスタＱ１とトランジスタＱ２はカレントミラー回路を構成し、抵抗Ｒ１とＲ２の抵抗値の比に対応した電流Ｉ１が信号処理回路１に供給される。

尚、通常動作時、制御電圧Vctrlと伝送電流Ｉｏの関係は、以下の式で表すことができる。
Ｒｆ・Ｉｏ／Ｒ５＝Vctrl／Ｒ６・・・（１）
一方、特許文献１には上記回路構成と同様な機能の２線式信号伝送回路が開示されている。

特開平１１−８６１７７号公報（段落番号００２５〜００３７、図１、図２）

しかしながら、上記回路では、信号処理回路１の特性等を調べるため、例えば信号処理回路１に測定器を接続する場合がある。図４はオシロスコープ等の測定器５を信号処理回路１に接続した例を示す。

このような場合、測定器５の接続端子Ａは信号処理回路１の端子に接続され、接続端子Ｂは２線式信号伝送回路の共通端子（ＣＯＭ）に接続される。

しかし、このとき、測定器５によっては、内部で接続端子Ｂと接地端子が接続されている場合がある。この場合、測定器５の接地端子は、２線式信号伝送回路の共通端子（ＣＯＭ）と接続されることになり、共通端子（ＣＯＭ）の電位が接地電位になり、帰還抵抗Ｒｆに電位差が生じなくなる。

即ち、上記式（１）において、帰還抵抗Ｒｆがゼロになり、電流（Ｉｏ）が大きくなり、トランジスタＱ１に大きな電流が流れる。このため、例えばトランジスタＱ１を焼損し、更に内部の他の回路素子を破損することがある。

そこで、本発明は、例えば、測定器５を接続することによって共通端子（ＣＯＭ）が接地電位になった場合でも、トランジスタＱ１を含む回路素子の焼損や破損を防止する２線式信号伝送回路を提供することを目的とする。

上記の課題を解決した本発明は、次のとおりである。
（１）物理量を電気信号に変換して出力する信号処理手段と、
前記電気信号及び伝送電流に関連する帰還電圧を第１の端子に入力し定電圧を第２の端子に入力する差動増幅器と、
前記差動増幅器の出力電圧をベースに受けてコレクタ−エミッタ間に第１電流を流す第１トランジスタと、
前記第１電流に関係する第２電流を前記信号処理手段に供給する第２トランジスタと
を備える２線式信号伝送回路において、
前記差動増幅器の出力に接続されて前記差動増幅器の出力電圧が所定値以上になると駆動する駆動手段と、
該駆動手段の出力を前記差動増幅器の前記第２の端子に供給し前記差動増幅器の出力電圧を制限する帰還手段とを備え、
前記差動増幅器の出力電圧を制限することにより前記第１電流が制限されて、前記第１電流に関係する前記第２電流が制限される
ことを特徴とする２線式信号伝送回路。
（２）前記駆動手段は、トランジスタであり、前記差動増幅器の出力が所定値以上になると前記トランジスタを駆動し、前記帰還手段を介して前記差動増幅器の第２の入力の電圧を上昇させることを特徴とする（１）記載の２線式信号伝送回路。
（３）物理量を電気信号に変換して出力する信号処理手段と、
前記電気信号及び伝送電流に関連する帰還電圧を第１の端子に入力し定電圧を第２の端子に入力する差動増幅器と、
前記差動増幅器の出力電圧をベースに受けてコレクタ−エミッタ間に第１電流を流す第１トランジスタと、
前記第１電流に関係する第２電流を前記信号処理手段に供給する第２トランジスタと
を備える２線式信号伝送回路において、
前記差動増幅器の出力に接続され前記差動増幅器の出力電圧が所定値以上になると前記差動増幅器の出力をバイパスするバイパス手段を備え、
前記バイパス手段によって前記差動増幅器の出力電圧を制限することにより前記第１電流が制限されて、前記第１電流に関係する前記第２電流が制限される
ことを特徴とする２線式信号伝送回路。
（４）前記バイパス手段は、ツェナーダイオードであることを特徴とする（３）記載の２線式信号伝送回路。

以上説明したように、本発明によれば測定器等を接続し、差動増幅器の出力電圧（Vop）が所定値を超えた場合でも、差動増幅器の入力を制限し回路素子の破損を防止することができる。

また、何らかの原因によって差動増幅器の出力電圧（Vop）が所定値を超えた場合でも、差動増幅器の出力をバイパスし、回路素子の破損を防止することができる。

以下、本発明の２線式信号伝送回路について、図面を参照しながら実施形態を詳述する。

＜第１の実施形態＞
図１は本実施形態の２線式信号伝送回路の回路図である。この図において、図３に表わした従来の回路と同じ構成については同じ番号を付し、その説明を省略し、異なる構成について説明する。

図１に示した回路にあって、抵抗Ｒ８と抵抗Ｒ９は分圧抵抗であり、電圧（Ｖａ）を分圧し、トランジスタＱ５のベース（Ｂ）にバイアス電圧を供給する。本例においては、例えばトランジスタＱ５のベース電圧を２．４Ｖに設定する。

また、トランジスタＱ５のエミッタ（Ｅ）はオペアンプ１３の出力に接続され、本例においては、差動増幅器１３の出力電圧（Vop）が３．０Ｖを超えるとトランジスタＱ５が駆動する構成である。

さらに、トランジスタＱ５のコレクタ（Ｃ）は差動増幅器１３の反転入力（−入力）に供給され、差動増幅器１３の出力電圧（Vop）が所定値（３．０Ｖ）を超えると帰還電流が流れる。

以上の構成において、正常動作時では、各トランジスタのベース電流が十分小さいものとして無視すると、トランジスタＱ２を流れる電流（Ｉ２）とトランジスタＱ１を流れる電流（Ｉ１）の関係は、カレントミラー回路の動作に従い、
Ｒ１・Ｉ１＋ＶＢＥ（Ｑ１）＝Ｒ２・Ｉ２＋ＶＢＥ（Ｑ２）・・・（２）
となり、トランジスタＱ１，Ｑ２のベース−エミッタ間電圧はほぼ等しく、上記式（２）は、Ｒ１・Ｉ１≒Ｒ２・Ｉ２となる。

従って、出力電流（Ｉｏ）は、Ｉｏ＝Ｉ１＋Ｉ２であり、また、
Ｉｏ≒（１＋Ｒ１／Ｒ２）・Ｉ２となる。

従って、正常動作時、差動増幅器１３から出力される出力電圧（Vop）に対応した電流（Ｉ２）がトランジスタＱ４に流れ、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の抵抗値の比に従った電流（Ｉ１）がトランジスタＱ１を介して信号処理回路１０に供給される。例えば、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の抵抗値の比を１：１０とし、電流（Ｉ２）を４ｍＡとすれば、トランジスタＱ１に流れる電流（Ｉ１）は４０ｍＡである。

一方、前述のように信号処理回路１０の特性等を調べる為、測定器を接続し、その結果、共通端子（ＣＯＭ）が接地されると、差動増幅器１３の反転入力（−入力）は接地電位となる。従って、前述と同様に、帰還抵抗Ｒｆに電圧が発生せず、差動増幅器１３の出力電圧（Vop）が直ちに上昇する。

しかし、本例においては、前述のように、差動増幅器１３の出力にはトランジスタＱ５が接続され、出力電圧（Vop）が所定値以上になると出力電圧（Vop）の一部を反転入力（−入力）に帰還する。

本例では、出力電圧（Vop）が３．０Ｖ以上になると出力電圧（Vop）を反転入力（−入力）に帰還するので、差動増幅器１３の出力電圧（Vop）は制限される。

即ち、差動増幅器１３の出力電圧（Vop）の最大値Vop(max)は、
Vop(max)＝Ｖａ・Ｒ９／（Ｒ８＋Ｒ９）＋ＶＢＥ（Ｑ５）となり、
出力電流（Ｉｏ）の最大値Ｉｏ（max)は、
Ｉｏ（max)≒（１＋Ｒ１／Ｒ２）・Ｉ２（max)
≒（１＋Ｒ１／Ｒ２）・（Vop(max)−ＶＢＥ（Ｑ４））／Ｒ３
となる。

そして、トランジスタＱ４，Ｑ５のベース−エミッタ間電圧がほぼ等しくと考えると、
Ｉｏ（max)≒（１＋Ｒ１／Ｒ２）・Ｖａ・Ｒ９／（Ｒ８＋Ｒ９）／Ｒ３
となり、トランジスタＱ１を流れる電流（Ｉ１）も制限される。

従って、本実施形態によれば、トランジスタＱ１に流れる電流（Ｉ１）が制限されるため、従来のようにトランジスタＱ１が焼損するようなことはない。また、電流（Ｉ２）も制限され、他の回路素子が発熱し、破損することもない。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
尚、本例は前述の第１の実施形態と異なり、ツェナーダイオードを使用して差動増幅器１３の出力電圧（Vop）をバイパスする構成である。以下、具体的に説明する。

図２は第２の実施形態を説明する回路図である。尚、同図において、前述の第１の実施形態と同じ回路構成については同じ番号を付し、その説明を省略し、異なる構成について説明する。

正常動作時、トランジスタＱ２を流れる電流（Ｉ２）とトランジスタＱ１を流れる電流（Ｉ１）の関係は、カレントミラー回路の動作に従い、差動増幅器１３から出力される出力電圧（Vop）に対応した電流（Ｉ２）がトランジスタＱ４に流れ、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の抵抗値の比に従った電流（Ｉ１）がトランジスタＱ１に流れる。

一方、前述のように測定器を接続し、共通端子（ＣＯＭ）が接地されると、差動増幅器１３の反転入力（−入力）は接地電位となる。従って、前述と同様に、帰還抵抗Ｒｆに電圧が発生せず、差動増幅器１３の出力電圧（Vop）が上昇する。

しかし、本例の場合、差動増幅器１３の出力にツェナーダイオード１４が接続されており、差動増幅器１３の出力電圧（Vop）がツェナー電圧を超えると、ツェナーダイオード１４を介して共通端子（ＣＯＭ）に電流を流す。

従って、トランジスタＱ４のベース（Ｂ）には、ツェナー電圧以上の高電圧が出力されることはない。このため、たとえ測定器が使用された場合でも、トランジスタＱ１に大きな電流が流れることがなく、トランジスタＱ１を含めて回路素子を破損することがない。

尚、前述の計算式は本例においても同様に適用でき、例えば、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の抵抗値をそれぞれ１０Ω、２００Ω、２ＫΩとし、ツェナー電圧Ｖzを３．３Ｖとし、ＶＢＥを０．６Ｖとすれば、電流（Ｉｏ）は２８．３５ｍＡに制限される。

また、上記第１、第２の実施形態の説明では、差動増幅器１３の出力電圧（Vop）が異常に上昇する場合として測定器を接続し、共通端子（ＣＯＭ）が接地レベルになった場合について説明したが、他の原因で共通端子（ＣＯＭ）が接地電位になった場合でも上記２つの実施形態を適用することができる。

また、第１の実施形態では、差動増幅器１３の出力電圧（Vop）を３．０Ｖに設定し、トランジスタＱ５を駆動する構成であるが、当該電圧値に限定されるものではない。

同様に、第２の実施形態におけるツェナー電圧についても、３．３Ｖに設定し、この電圧値を基準にツェナーダイオード１４を駆動したが、他の規格のツェナーダイオードを使用する構成としてもよい。

さらに、第１の実施形態では、駆動回路としてトランジスタを使用したが、他の駆動回路を使用する構成としてもよい。

また、第２の実施形態でもツェナーダイオード１４に限らず、出力電圧（Vop）が所定値を超えるとバイパスして電流を流す回路であれば同様に使用することができる。

第１の実施形態の回路図である。 第２の実施形態の回路図である。 従来の回路図である。 従来の回路に測定器を接続した場合の回路図である。

符号の説明

１０ 信号処理回路
１１ 電源
１２ 出力制御部
１３ 差動増幅器
１４ ツェナーダイオード

Claims (4)

1. 物理量を電気信号に変換して出力する信号処理手段と、
   前記電気信号及び伝送電流に関連する帰還電圧を第１の端子に入力し定電圧を第２の端子に入力する差動増幅器と、
   前記差動増幅器の出力電圧をベースに受けてコレクタ−エミッタ間に第１電流を流す第１トランジスタと、
   前記第１電流に関係する第２電流を前記信号処理手段に供給する第２トランジスタと
   を備える２線式信号伝送回路において、
   前記差動増幅器の出力に接続されて前記差動増幅器の出力電圧が所定値以上になると駆動する駆動手段と、
   該駆動手段の出力を前記差動増幅器の前記第２の端子に供給し前記差動増幅器の出力電圧を制限する帰還手段とを備え、
   前記差動増幅器の出力電圧を制限することにより前記第１電流が制限されて、前記第１電流に関係する前記第２電流が制限される
   ことを特徴とする２線式信号伝送回路。
2. 前記駆動手段は、トランジスタであり、前記差動増幅器の出力が所定値以上になると前記トランジスタを駆動し、前記帰還手段を介して前記差動増幅器の第２の入力の電圧を上昇させることを特徴とする請求項１記載の２線式信号伝送回路。
3. 物理量を電気信号に変換して出力する信号処理手段と、
   前記電気信号及び伝送電流に関連する帰還電圧を第１の端子に入力し定電圧を第２の端子に入力する差動増幅器と、
   前記差動増幅器の出力電圧をベースに受けてコレクタ−エミッタ間に第１電流を流す第１トランジスタと、
   前記第１電流に関係する第２電流を前記信号処理手段に供給する第２トランジスタと
   を備える２線式信号伝送回路において、
   前記差動増幅器の出力に接続され前記差動増幅器の出力電圧が所定値以上になると前記差動増幅器の出力をバイパスするバイパス手段を備え、
   前記バイパス手段によって前記差動増幅器の出力電圧を制限することにより前記第１電流が制限されて、前記第１電流に関係する前記第２電流が制限される
   ことを特徴とする２線式信号伝送回路。
4. 前記バイパス手段は、ツェナーダイオードであることを特徴とする請求項３記載の２線式信号伝送回路。

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