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在4~20mA电流环中如何使用高压、大电流驱动放大器
2010年3月2日 13:19  今日电子/21ic  

电流环在过程控制工业系统中的应用已经具有很长历史。通过电流环可以将信息从远端传感器传递到中央处理单元,或从这些中心单元传送至远端传感器。4~20mA电流环的应用非常普遍,而有些系统则采用了±20mA电流环。对于低阻负载,采用高压运算放大器提供大电流驱动可以省去外部功率FET,从而简化电路设计。

本文讨论在4~20mA电流环中如何使用高压、大电流驱动运算放大器。运算放大器将来自DAC的电压信号转换成±20mA或4~20mA的电流输出,实验中采用了MAX9943运算放大器,文中给出了测试数据。

电流环基础

电流环通常包括传感器、发送器、接收器和ADC或微控制器(见图1)。传感器用于测量物理参数(如压力或温度),提供相应的输出电压;发送器将传感器输出按比例转换成4~20mA电流信号;接收器则将4~20mA电流转换为电压信号,ADC或微控制器将接收器的电压输出转换成数字信号。

图1 单电流环的主要部件

电流环中,信息通过电流调制信号进行传输。对于4~20mA系统,4mA通常表示传感器的零输出,20mA表示满量程输出。很容易区分环路断路(0mA,故障状态)与传感器的零输出(4mA)。与电压调制信号相比,电流环从本质上具有更高的抗干扰能力,非常适合嘈杂的工业环境。信号可以长距离传输,信息能够发送到远端或从远端接收。通常情况下,传感器远离系统微控制器所处的控制中心。比较复杂的系统包括从微控制器或DSP到激励源的另一电流环(见图2)。DAC将数字信息转换成模拟电压信号。电流环发送器将DAC输出电压转换成驱动激励源的4~20mA或±20mA电流信号。电网监测系统也存在类似应用,通过成熟算法确定系统的当前状态,预测系统变化方向,并通过控制环路动态调整系统。

图2 采用另一个电流环控制激励源的复杂系统

利用运算放大器实现VI转换

图3所示电路利用两个运算放大器和少数外部电阻构建了一个简单的VI (电压-电流)转换器。采用±15V供电时,运算放大器(这里为MAX9943)能够向小阻抗负载提供±20mA以上的输出电流。

图3 利用VI转换器将DAC输出转换为负载电流

MAX9943是一款36V运算放大器,具有大电流输出驱动能力。驱动高达1nF的负载电容时保持稳定。该器件可理想用于需要将DAC输出的电压信号按比例转换成4~20mA或±20mA电流信号的工业应用。

输入电压VIN与负载电流的关系见式(1):

VIN=(R2/R1)×RSENSE× ILOAD+VREF                     (1)

该电路中,元件取值分别为

R1=1kΩ

R2=10kΩ

RSENSE=12.5Ω

RLOAD=600Ω

典型负载在几百欧姆量级。而发生对地短路故障,或者为了长距离信号传输而在接收器端降低电压负荷时,负载阻抗将明显减小。VREF可以与DAC使用相同的基准电压。这种情况下,所有电压(VIN)与VREF成比例,并消除了由于VREF变动引起的误差。

从±2.5V产生±20mA电流驱动

图3所示电路亦可用来产生±20mA电流驱动。当VREF=0V时,-2.5~+2.5V的输入范围产生标称±20mA的电流输出,如图4所示。输入电压(VIN)和“正向”运算放大器输出电压(V1)之间的关系如下:

编 辑:王群芳
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