JP2011239362A - 絶縁型信号伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直流電流信号を一方向に絶縁伝送する絶縁型信号伝送装置において、交流通信信号を双方向に適切に絶縁伝送できるようにする。
【解決手段】直流電流信号を検出する電流検出抵抗を含み、検出された直流電流信号を一方向に絶縁伝送する直流信号経路を備えた絶縁型信号伝送装置であって、直流電流信号を遮断し、絶縁トランスによって交流通信信号を双方向に絶縁伝送する通信信号経路と、電流検出抵抗と通信信号経路との間に設けられたインダクタ部材とを備えた絶縁型信号伝送装置。インダクタ部材は、巻線コイルあるいは半導体回路で構成することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、絶縁型の信号伝送装置に関し、特に直流電流信号に加え通信信号を伝送する絶縁型信号伝送装置に関する。

プラントにおいて計測、制御等を行なうフィールド機器では、検出した値等を電気信号に変換して分散型制御システム（ＤＣＳ）等の上位機器に伝送することが行なわれている。一般に、この電気信号の伝送は、４〜２０ｍＡの直流電流信号が用いられており、直流電流信号を絶縁して伝送する絶縁型信号伝送装置としてアイソレータやディストリビュータが知られている。

フィールド機器と上位機器との間では、一方向に伝送される直流電流信号とは別に、制御信号等の通信信号のやり取りが行なわれる。このため、絶縁型信号伝送装置を用いて、直流電流信号に加え、通信信号も絶縁伝送することが考えられる。一般に、通信信号の伝送は、高周波帯域を使用し、双方向で行なわれることから、直流電流信号を伝送する経路とは別の伝送経路が必要となる。

図８は、通信信号の絶縁伝送を行なうために絶縁アンプを用いた絶縁型信号伝送装置の構成例を示すブロック図である。本図に示すように、フィールド機器２００と上位機器３００との間で信号を伝送する絶縁型信号伝送装置４００は、フィールド機器２００から上位機器３００に４〜２０ｍＡの直流電流信号を絶縁伝送する直流信号の経路と、双方向で通信信号を絶縁伝送する通信信号の経路とを備えている。

フィールド機器２００から絶縁型信号伝送装置４００に入力された直流電流信号は、電流検出抵抗Ｒ１で電圧信号に変換され、さらに、パルス幅変調回路ＰＷＭでパルス幅変調されたパルス列に変換される。パルス列は、フォトカプラＰＣ１で絶縁されて上位機器３００側に伝送される。そして、ローパスフィルタＬＰＦで平滑化され、直流電圧に変換された後、定電流回路を構成するＭＯＳ−ＦＥＴＱ１から電流信号として出力される。

フィールド機器２００から上位機器３００への通信信号は、コンデンサＣ１で、直流電流信号から分離され、絶縁アンプＩＳＯ１によって上位機器３００側に伝送される。上位機器３００からフィールド機器２００への通信信号は、コンデンサＣ２を介して、絶縁アンプＩＳＯ２によってフィールド機器２００側に伝送される。

図９は、通信信号の伝送にトランスＴ１を用いた絶縁型信号伝送装置４２０の構成を示すブロック図である。図８に示したブロック図と同じ構成については、同じ符号を用いている。トランスＴ１は、双方向に通信信号を伝送することができるため、１個でよい。

特開２００９−１５３０１１号公報

図８に示した絶縁アンプを用いた方式では、絶縁アンプＩＳＯ１と絶縁アンプＩＳＯ２とが逆並列にループ状に接続されているため、このループを一巡した利得が１に近づくにしたがって回路が不安定になり、伝達利得が１を超えると発振してしまう。したがって、回路を安定に動作させるためには、ある程度の損失が避けられない。

電話回線の中継増幅器に使用されているようなハイブリッドトランスまたは同様の機能を有する電子回路を利用して、信号の伝わる向きによって、上り下りの信号を分離して増幅する方法を適用することも考えられ、この方法によれば利得が１を超えることも可能である。しかしながら、この場合は、負荷および信号源のインピーダンスが設計値から外れると、上り下りの信号分離度が悪くなる。一般に、４〜２０ｍＡの直流電流信号等を伝送するシステムにおいては、路線のインピーダンスは広範囲に渡り、インピーダンス整合を取って、必要な分離度を得ることは困難である。

これに対して、図９に示したトランスＴ１を用いた方式では、発振や損失の問題は生じない。しかしながら、フィールド機器２００側と上記機器３００側とがトランスＴ１で結合しているため、比較的高周波の交流信号である通信信号について以下のような問題が生じる。

すなわち、通信信号の周波数帯域が数１０Ｈｚ〜数ＫＨｚであり、トランスＴ１の巻線比が１：１と仮定すると、フィールド機器２００側から見た通信信号周波数帯域における線路インピーダンスは、フィールド機器２００の出力インピーダンスＲｏ、上位機器３００の入力インピーダンスＲｉ、電流検出抵抗Ｒ１が並列になったものである。

一般に、フィールド機器２００の出力インピーダンスＲｏは十分大きいが、上位機器３００の入力インピーダンスＲｉは、電流検出抵抗Ｒ１と同程度の低インピーダンスである。このため、合成インピーダンスはさらに低下し、電流信号である通信信号の振幅が小さくなりすぎ、上位機器３００での通信信号の検出が困難となる。

そこで、本発明は、直流電流信号を一方向に絶縁伝送する絶縁型信号伝送装置において、交流通信信号を双方向に適切に絶縁伝送できるようにすることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の絶縁型信号伝送装置は、直流電流信号を検出する電流検出抵抗を含み、検出された前記直流電流信号を一方向に絶縁伝送する直流信号経路を備えた絶縁型信号伝送装置であって、前記直流電流信号を遮断し、絶縁トランスによって交流通信信号を双方向に絶縁伝送する通信信号経路と、前記電流検出抵抗と前記通信信号経路との間に設けられたインダクタ部材と、を備えたことを特徴とする。

また、前記通信信号経路には、固定抵抗と可変抵抗の並列回路よりなる信号帯域調整回路が直列接続されたことを特徴とする。

本発明の絶縁型信号伝送装置では、インダクタ部材を用いることにより、通信信号を直流信号経路から分離している。このため、通信信号が電流検出抵抗の影響を受けることがなくなり、交流通信信号を双方向に適切に絶縁伝送できるようになる。ここで、前記インダクタ部材は、巻線コイルあるいは半導体回路で構成することができる。

そして、通信信号に自由振動が重畳されて通信できなくなった場合、信号帯域調整回路を構成している可変抵抗の抵抗値を調整することにより自由振動は停止し、通信が可能になる。

また、本発明の絶縁型信号伝送装置は、フィールド機器から上位機器に前記直流電流信号を絶縁伝送し、前記交流通信信号を双方向に絶縁伝送する場合に、特に効果的に適用することができる。

本発明によれば、直流電流信号を一方向に絶縁伝送する絶縁型信号伝送装置において、交流通信信号を双方向に適切に絶縁伝送できるようになる。

本実施形態における絶縁型信号伝送装置の構成を示すブロック図である。 フィールド機器の直流電流信号出力側の構成例を示すブロック図である。 上位機器の直流電流信号入力側の構成例を示すブロック図である。 巻線コイルのインダクタに代え、擬似インダクタ回路を用いた絶縁型信号伝送装置の構成を示すブロック図である。 自由振動の説明図である。 自由振動対策を施した絶縁型信号伝送装置１００の主要部分の具体的な回路例図である。 信号帯域調整回路を構成する可変抵抗ＶＲの実装例図である。 通信信号の伝送に絶縁アンプを用いた絶縁型信号伝送装置の構成を示すブロック図である。 通信信号の伝送にトランスを用いた絶縁型信号伝送装置の構成を示すブロック図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態における絶縁型信号伝送装置１００の構成を示すブロック図である。絶縁型信号伝送装置１００は、通信信号の伝送に、発振や損失の問題が生じないトランスＴ１を用いており、図８および図９に示したブロック図と同じ構成については、同じ符号を用いている。

本図に示すように、フィールド機器２００と上位機器３００との間で信号を伝送する絶縁型信号伝送装置１００は、フィールド機器２００から上位機器３００に４〜２０ｍＡの直流電流信号を絶縁伝送する直流信号の経路と、双方向で通信信号を絶縁伝送する通信信号の経路とを備えている。

また、本実施形態における絶縁型信号伝送装置１００は、フィールド機器２００から上位機器３００への通信信号が、直流電流信号検出のための電流検出抵抗Ｒ１に流れないようにインダクタＬ１が設けられている。インダクタＬ１は、通信信号の周波数帯域において十分高いインピーダンスを持つような値が設定されている。

フィールド機器２００から絶縁型信号伝送装置４００に入力された直流電流信号は、インダクタＬ１を通り、電流検出抵抗Ｒ１で電圧信号に変換される。そして、バッファとして機能するオペアンプＯｐ１を介してパルス幅変調回路ＰＷＭに入力され、パルス幅変調回路ＰＷＭでパルス幅変調されたパルス列に変換される。

パルス幅変調されたパルス列は、フォトカプラＰＣ１で絶縁されて上位機器３００側に伝送され、ローパスフィルタＬＰＦで平滑化されて直流電圧に変換される。ローパスフィルタＬＰＦから出力された直流電圧は、オペアンプＯｐ２、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１、抵抗Ｒ２で構成される定電流回路に入力され、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１から電流信号として出力される。

ただし、フィールド機器２００から上位機器３００への直流電流信号の伝送は、フォトカプラＰＣ１を用いた本例に限られず、種々の手法を用いることができる。

フィールド機器２００から上位機器３００への通信信号は、コンデンサＣ１で、直流電流信号から分離され、トランスＴ１によって上位機器３００側に絶縁伝送される。上位機器３００からフィールド機器２００への通信信号は、コンデンサＣ１を介して、トランスＴ１によってフィールド機器２００側に絶縁伝送される。

通信信号の周波数帯域が数１０Ｈｚ〜数ＫＨｚであり、トランスＴ１の巻線比を１：１とすると、フィールド機器２００側から見た通信信号周波数帯域における線路インピーダンスは、交流信号を遮断するインダクタＬ１を用いているため、フィールド機器２００の出力インピーダンスＲｏ、上位機器３００の入力インピーダンスＲｉが並列になったものとなる。すなわち、電流検出抵抗Ｒ１は通信信号から分離されることになる。

一般に、フィールド機器２００の出力インピーダンスＲｏは十分大きいため、フィールド機器２００側から見た通信信号周波数帯域における線路インピーダンスは、上位機器３００の入力インピーダンスＲｉだけで決まり、電流検出抵抗Ｒ１の影響を受けない。したがって、上位機器３００での通信信号の検出を適切に行なうことができるようになる。

また、上位機器３００側から見た通信信号周波数帯域における線路インピーダンスは、フィールド機器２００の出力インピーダンスＲｏが十分高いため、やはり上位機器３００の入力インピーダンスＲｉだけで決まり、電流検出抵抗Ｒ１の影響を受けず、フィールド機器２００での通信信号の検出を適切に行なうことができる。

このため、本実施形態によれば、直流電流信号を一方向に絶縁伝送する絶縁型信号伝送装置１００において、交流通信信号を双方向に適切に絶縁伝送できるようになる。
図２は、フィールド機器２００の直流電流信号出力側の構成例を示すブロック図である。本図に示すように、フィールド機器２００は、４〜２０ｍＡの直流電流信号を出力する直流電流源２０１と、上位機器３００に伝送する通信信号を送信する通信信号送信器２０２と、上位機器３００から伝送された通信信号を受信するオペアンプＯｐ２１とを備えている。また、直流電流信号と通信信号を分離するために、コンデンサＣ２１、コンデンサＣ２２が用いられている。このような構成により、フィールド機器２００の出力インピーダンスは高インピーダンスとなっている。

図３は、上位機器３００の直流電流信号入力側の構成例を示すブロック図である。本図に示すように、上位機器３００は、４〜２０ｍＡの直流電流信号を検出する抵抗Ｒ３１と、抵抗Ｒ３１に生じた電圧によって直流電流信号を入力するオペアンプ３１と、フィールド機器２００に伝送する通信信号を送信する通信信号送信器３０１と、フィールド機器２００から伝送された通信信号を受信するオペアンプＯｐ３２とを備えている。また、直流電流信号と通信信号を分離するために、コンデンサＣ３１、コンデンサＣ３２が用いられている。このような構成により、上位機器３００の入力インピーダンスは低インピーダンスとなっている。

ところで、図１に示した巻線コイルのインダクタＬ１を用いた構成では、例えば、０．５Ｈといったような比較的大きなインダクタンス値が必要になることと、直流信号が流れても鉄心が磁気飽和してはいけないことから、インダクタＬ１の形状寸法が大きくなってしまう。

そこで、巻線コイルのインダクタＬ１に代えて、図４に示すように半導体回路で構成された擬似インダクタ回路を用いるようにしてもよい。本図の例では、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ２、抵抗Ｒｇ、抵抗Ｒ１、コンデンサＣｇで擬似インダクタ回路を構成しており、等価的なインダクタンス値は、Ｌ＝Ｒｇ・Ｃｇ・Ｒ１［Ｈ］であり、純インダクタＬに抵抗Ｒ１が直列になったものと等価である。

例えば、Ｒｇ＝１００ｋΩ、Ｃｇ＝０．１μＦ、Ｒ１＝１００Ωとすると、等価インダクタンス値は、１Ｈとなり、巻線コイルに比べて小型軽量で安価に構成することができる。

なお、擬似インダクタ回路は、ＭＯＳＦＥＴに限られず、バイポーラトランジスタやオペアンプを用いて構成するようにしてもよいし、その他の回路を用いて構成するようにしてもよい。

また、絶縁型信号伝送装置１００の通信信号経路に着目すると、通信信号に対してはトランスＴ１内部のＬ成分が見えている。この結果、通信信号に対して、コンデンサＣ１のＣ成分とトランスＴ１内部のＬ成分とでＬＣ回路が構成されて、このＬＣ回路は通信信号に対して図５に示すような自由振動を発生することになる。

通信信号にこのような自由振動が重畳されると、フィールド機器２００や上位機器３００が通信信号を認識しないことがある。

通信信号規格として、通信信号に自由振動が重畳した場合の所定の仕様が具体的に制定されているが、所定の仕様を満たしていない製品が実際には存在し、通信信号の伝送が安定に行なわれないことがある。

フィールド機器２００と上位機器３００間の配線や通信条件によっては前述のＬＣ回路の値はさらに変化し、通信信号経路全体から見れば不明となるが、それらに対しても通信信号に自由振動が重畳されないように自由振動の発生を抑えることが望ましい。

図６は、このような対策を施した絶縁型信号伝送装置１００の主要部分の具体的な回路例図であり、図１と同じ構成については、同じ符号を用いている。

本図に示すように、コンデンサＣ２の後段には、固定抵抗ＦＲと可変抵抗ＶＲの並列回路が直列に接続されている。すなわち、従来のＬＣ回路に抵抗回路Ｒが接続されて、ＲＬＣ回路が構成されることになる。

本来、抵抗回路Ｒは、フィールド機器２００に対する純粋な負荷になるため、抵抗回路Ｒの接続は好ましくない。ただし、安全保持器や配線抵抗などは許容しなければならないことから、通信信号規格として許容抵抗値を設けている。したがって、固定抵抗ＦＲと可変抵抗ＶＲの並列回路の抵抗値Ｒは通信信号規格の許容抵抗値を超えないようにする必要がある。

本図のように絶縁型信号伝送装置１００をＲＬＣ回路にした場合、自由振動に対するそれぞれの条件は以下のように表すことができる。
１）自由振動モード
Ｒ²＜４Ｌ／Ｃ （１）
２）非振動モードで最も早く安定
Ｒ²＝４Ｌ／Ｃ （２）
３）非振動モード
Ｒ²＞４Ｌ／Ｃ （３）

ここで、ＲＬＣ回路のＬ成分およびＣ成分について、絶縁型信号伝送装置１００内に関しては把握できるが、フィールド配線が持つ成分や接続先であるフィールド機器２００および上位機器３００が持つ成分は分からない。そこで、固定抵抗ＦＲと可変抵抗ＶＲの並列回路で構成されるＲ成分を調整することで（２）式または（３）式の条件を満たすようにして、自由振動の発生を抑える。

すなわち、本図のようにＲ成分として可変抵抗ＶＲを含む構成にすることにより、固定抵抗ＦＲと可変抵抗ＶＲの並列回路の抵抗値Ｒが通信信号規格の許容抵抗値を超えないようにすることができ、自由振動の発生を抑えるＲＬＣ回路が実現できる。本図の構成により自由振動の発生を抑えているが、実際には信号帯域を調整しているともいえる。周波数特性から見ると、ＬＣ共振点を抑えていることになる。すなわち、固定抵抗ＦＲと可変抵抗ＶＲの並列回路は、信号帯域調整回路を構成している。

具体例について説明する。本図のコンデンサＣ１のＣ成分を２．２μＦ、トランスＴ１のＬ成分を０．１７５Ｈ、可変抵抗ＶＲの抵抗値を１ｋΩ、固定抵抗ＦＲを２２０Ωとする。

通常時は、Ｒ成分は好ましくないため、可変抵抗ＶＲの抵抗値を０Ωにして使用する。可変抵抗ＶＲと固定抵抗ＦＲは並列接続されているので、Ｒ成分は０Ωになる。この状態では、通信信号には自由振動が重畳する。重畳した自由振動が原因で、フィールド機器２００や上位機器３００が通信信号を認識しない場合には、可変抵抗ＶＲの抵抗値を０Ωから増加させる。このようにして、Ｒ成分が前述の（２）式または（３）式の条件を満たす位置まで可変抵抗ＶＲの抵抗値を調整すると、自由振動は停止する。これにより、フィールド機器２００または上位機器３００は通信信号を認識できるようになり、通信が可能になる。

もし、ユーザーが誤って可変抵抗ＶＲを回しすぎて壊した場合でも、固定抵抗ＦＲの抵抗値を通信信号規格の許容抵抗値を超えない値（例えば２２０Ω）に設定しておくことにより、通信信号規格の許容抵抗値を超えることはない。

図７は、信号帯域調整回路を構成する可変抵抗ＶＲの実装例図である。本図において、可変抵抗ＶＲは、外部から直接抵抗値を可変調整できるように、絶縁型信号伝送装置１００が実装されているプリント基板に実装される。

なお、可変抵抗ＶＲは、例えば回転やスライドにより無段階で連続的に調整できるように構成された抵抗器であってもよいし、例えばロータリースイッチ等で段階的に調整できるように構成された抵抗器であってもよい。

さらに、図６では、巻線コイルのインダクタＬ１を用いた図１の回路のコンデンサＣ２の後段に固定抵抗ＦＲと可変抵抗ＶＲの並列回路を直列に接続する例を説明したが、半導体回路で構成された擬似インダクタ回路を用いた図４の回路のコンデンサＣ２の後段に固定抵抗ＦＲと可変抵抗ＶＲの並列回路を直列に接続してもよいし、これらインダクタ部材が設けられていない図８や図９の回路のコンデンサＣ２の後段に固定抵抗ＦＲと可変抵抗ＶＲの並列回路を直列に接続してもよく、これらいずれの場合にも可変抵抗ＶＲの抵抗値を調整することにより通信信号に自由振動が重畳されないように自由振動の発生を抑えることができる。

また、本発明は、上位機器３００が高インピーダンスのＲｏとなり、フィールド機器２００が低インピーダンスのＲｉとなった構成時においても上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、フィールド機器２００から上位機器３００に対して、直流電流信号と通信信号とを完全に分離して伝送することができるため、通信信号が、直流信号経路内の電流検出抵抗の影響を受けることがなくなり、適切に上位機器３００で検出されるようになる。

１００ 絶縁型信号伝送装置
２００ フィールド機器
３００ 上位機器
４００ 絶縁型信号伝送装置
４２０ 絶縁型信号伝送装置

Claims (4)

1. 直流電流信号を検出する電流検出抵抗を含み、検出された前記直流電流信号を一方向に絶縁伝送する直流信号経路を備えた絶縁型信号伝送装置であって、
   前記直流電流信号を遮断し、絶縁トランスによって交流通信信号を双方向に絶縁伝送する通信信号経路と、
   前記電流検出抵抗と前記通信信号経路との間に設けられたインダクタ部材と、を備えたことを特徴とする絶縁型信号伝送装置。
2. 前記インダクタ部材は、巻線コイルあるいは半導体回路で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の絶縁型信号伝送装置。
3. フィールド機器から上位機器に前記直流電流信号を絶縁伝送し、前記交流通信信号を双方向に絶縁伝送することを特徴とする請求項１または２に記載の絶縁型信号伝送装置。
4. 前記通信信号経路には、固定抵抗と可変抵抗の並列回路よりなる信号帯域調整回路が直列接続されたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の絶縁型信号伝送装置。

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