在4–20mA電流環(huán)中如何使用高壓、大電流驅(qū)動運算放大器

在4–20mA電流環(huán)中如何使用高壓、大電流驅(qū)動運算放大器

本文討論在過程控制工業(yè)應用中如何利用高壓、大電流驅(qū)動運算放大器將電壓信號轉(zhuǎn)換為±20mA或4–20mA電流信號。以MAX9943運算放大器為例，給出了試驗說明和測試結(jié)果。

引言

電流環(huán)在過程控制工業(yè)系統(tǒng)中的應用已經(jīng)具有很長歷史。通過電流環(huán)可以將信息從遠端傳感器傳遞到中央處理單元，或從這些中央處理單元傳送至遠端激勵源。4–20mA電流環(huán)的應用非常普遍，而有些系統(tǒng)則采用了±20mA電流環(huán)。對于低阻負載，采用高壓運算放大器提供大電流驅(qū)動可以省去外部功率FET，從而簡化電路設計。

本文討論在4–20mA電流環(huán)中如何使用高壓、大電流驅(qū)動運算放大器。運算放大器將來自DAC的電壓信號轉(zhuǎn)換成±20mA或4–20mA的電流輸出，實驗中采用了MAX9943運算放大器，文中給出了測試數(shù)據(jù)。

電流環(huán)基礎

電流環(huán)通常包括傳感器、發(fā)送器、接收器和ADC或微控制器(圖1)。傳感器用于測量物理參數(shù)(例如壓力或溫度)，提供相應的輸出電壓；發(fā)送器將傳感器輸出按比例轉(zhuǎn)換成4mA至20mA電流信號；接收器則將4–20mA電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，ADC或微控制器將接收器的電壓輸出轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。


圖1. 簡單電流環(huán)的主要部件

電流環(huán)中，信息通過電流調(diào)制信號進行傳輸。對于4–20mA系統(tǒng)，4mA通常表示傳感器的零輸出，20mA表示滿量程輸出。很容易區(qū)分環(huán)路斷路(0mA，故障狀態(tài))與傳感器的零輸出(4mA)。

與電壓調(diào)制信號相比，電流環(huán)從本質(zhì)上具有更高的抗干擾能力，非常適合嘈雜的工業(yè)環(huán)境。信號可以長距離傳輸，信息能夠發(fā)送到遠端或從遠端接收。通常情況下，傳感器遠離系統(tǒng)微控制器所處的控制中心。

比較復雜的系統(tǒng)包括從微控制器或DSP到激勵源的另一電流環(huán)(圖2)。DAC將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號。電流環(huán)發(fā)送器將DAC輸出電壓轉(zhuǎn)換成驅(qū)動激勵源的4–20mA或±20mA電流信號。電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)也存在類似應用，通過成熟算法確定系統(tǒng)的當前狀態(tài)，預測系統(tǒng)變化方向，并通過控制環(huán)路動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)。


圖2. 采用另一個電流環(huán)控制激勵源的復雜系統(tǒng)

利用運算放大器實現(xiàn)VI轉(zhuǎn)換，提供大電流驅(qū)動

圖3所示電路利用兩個運算放大器和少數(shù)外部電阻構(gòu)建了一個簡單的VI (電壓-電流)轉(zhuǎn)換器。采用±15V供電時，運算放大器(這里為MAX9943)能夠向小阻抗負載提供±20mA以上的輸出電流。

MAX9943是一款36V運算放大器，具有大電流輸出驅(qū)動能力。驅(qū)動高達1nF的負載電容時保持穩(wěn)定。該器件可理想用于需要將DAC輸出的電壓信號按比例轉(zhuǎn)換成4–20mA或±20mA電流信號的工業(yè)應用。


圖3. 利用VI轉(zhuǎn)換器將DAC輸出轉(zhuǎn)換為負載電流，該電路采用兩片MAX9943運算放大器。

輸入電壓V_IN與負載電流的關系如式1所示：

VIN = (R2/R1) × RSENSE × RLOAD + VREF

(式1)

該電路中，元件取值分別為：
R1 = 1kΩ
R2 = 10kΩ
R_SENSE = 12.5Ω
R_LOAD = 600Ω

典型負載在幾百歐姆量級。而發(fā)生對地短路故障，或者為了長距離信號傳輸而在接收器端降低電壓負荷時，負載阻抗將明顯減小。

V_REF可以與DAC使用相同的基準電壓。這種情況下，所有電壓(V_IN)與V_REF成比例，并消除了由于V_REF變動引起的誤差。

從±2.5V產(chǎn)生±20mA電流驅(qū)動

圖3所示電路亦可用來產(chǎn)生±20mA電流驅(qū)動。當V_REF = 0V時，-2.5V至+2.5V的輸入范圍產(chǎn)生標稱±20mA的電流輸出，如圖4所示。

輸入電壓(V_IN)和“正向”運算放大器輸出電壓(V1)之間的關系如下：

VIN = (R2/R1) × (1 - α/β) × V1 + VREF × (1 – (R2/R1) × 1/(β × (R2 + R1)))

(式2)

式中：

α = (1/RSENSE) + R2/(R1 × (R1 + R2))

(式3)

β = 1/RSENSE + (1/R1) + 1/RLOAD

(式4)

在式2和式3中代入元件值：

V1 = 4.876 × VIN - 4.872 × VREF

(式5)

式5中的關系式有助于避免輸出器件飽和。實際上，當V_IN = +2.5V時，下端運算放大器的輸出(V1)達到12.2V左右。如果輸入電壓超過2.5V，最終輸出器件將達到其飽和點，輸出電壓不再增大。圖4曲線變得平坦，與理想特性曲線不一致。反相端輸入低于-2.5V時，將出現(xiàn)類似結(jié)果。


圖4. ±2.5V輸入電壓范圍可產(chǎn)生±20mA輸出電流。藍色曲線為理想的增益曲線；紅色曲線為實測數(shù)據(jù)。V_CC = +15V；V_EE = -15V。

圖4數(shù)據(jù)說明，當源出、吸入電流達到大約±21.5mA時，相當于±2.68V輸入和正向(下端)運算放大器輸出達到±13V，MAX9943仍然能夠工作在線性范圍。因為MAX9943的輸出電壓能夠非常接近負電源電壓，實際負向電流可以達到較大幅度。該器件的正向輸出擺幅限制在正電源電壓的2V以內(nèi)(2V電壓值取決于負載，給出的是最差工作條件下的技術指標與工藝、溫度的關系曲線)。

有些應用需要更大的輸出電流，以滿足設計裕量的需求或為校準保留一定空間。對于這類應用，圖3電路可采用±18V雙電源(代替±15V)供電。此時，運算放大器能夠驅(qū)動最大±24mA (對應于±3V輸入)的電流，并保持工作在線性區(qū)域，如圖5所示。


圖5. ±3V輸入電壓范圍可產(chǎn)生±24mA輸出電流。藍色曲線為理想增益曲線；紅色曲線為實測數(shù)據(jù)。V_CC = +18V；V_EE = -18V。

從0至2.5V輸入范圍產(chǎn)生4–20mA電流驅(qū)動

由上述式5，當V_REF = -0.25V、輸入范圍介于0V至+2.5V時能夠產(chǎn)生2mA至22mA的電流輸出(圖6)。通常在4–20mA電流環(huán)中，設計人員希望動態(tài)范圍具有一定的附加“空間” (例如：2mA至22mA)，以便用于軟件校準。如果需要更大電流，MAX9943可以采用±18V雙電源供電，如上所述。


圖6. 通過0V至2.5V輸入電壓范圍產(chǎn)生4–20mA輸出電流。藍色曲線為理想增益曲線；紅色曲線為實測數(shù)據(jù)。V_CC = +15V；V_EE = -15V。

結(jié)論

電流環(huán)被廣泛用于需要將信息從遠端傳感器傳輸?shù)街醒胩幚韱卧?，或從中心單元傳輸?shù)竭h端激勵源的工業(yè)應用。

實驗證明，MAX9943運算放大器非常適合將傳感器或DAC輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成4–20mA或±20mA電流的控制環(huán)應用。MAX9943在整個溫度范圍內(nèi)都具有精密的大電流驅(qū)動能力。驅(qū)動高達1nF的容性負載時能夠保持穩(wěn)定工作，而長距離傳輸中經(jīng)常會遇到較大的容性負載。