4-20mA電流環(huán)路系統(tǒng)廢能利用

　　4-20mA電流環(huán)路信號(hào)常用于工業(yè)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸，例如：加工溫度或者容器壓力等。這種信號(hào)傳輸方式之所以成為人們的首選，因?yàn)樗唵伪憬?、抗噪、安全，并且可以在沒有數(shù)據(jù)損壞的情況下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。由于傳輸數(shù)據(jù)的電流相對(duì)較低，這些電流環(huán)路還是低功耗系統(tǒng)。以前，沒有獲得利用的功率，或者信號(hào)傳輸過程中損失的功率，都在發(fā)送器內(nèi)耗散掉；但現(xiàn)在，利用現(xiàn)代集成電路以后，即使這一小部分功率也被節(jié)省下來，以支持系統(tǒng)中必需功能的正常工作。

　　4-20mA 電流環(huán)路系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)

　　圖 1 顯示了一個(gè)典型的 4-20mA 電流環(huán)路系統(tǒng)。一個(gè)半穩(wěn)壓式 24V DC 電源同時(shí)向電流環(huán)路和發(fā)送器組件供電。發(fā)送器對(duì)重要信號(hào)（例如：溫度、壓力和其他參數(shù)）進(jìn)行測(cè)量，然后輸出一個(gè) 2-20mA 電流，其與該信號(hào)強(qiáng)弱成比例。該電流通過線路，傳輸至某個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)。之后，電流遇到電阻器形成電壓，其通過一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 讀出，然后再經(jīng)過進(jìn)一步處理。通過連線，連接回到為環(huán)路供電的電壓源，這樣構(gòu)成一個(gè)完整的環(huán)路。

　　圖 1 基本的 4-20mA 電流環(huán)路系統(tǒng)

　　工業(yè)應(yīng)用中使用這些電流環(huán)路具有諸多好處：

　　l 電流環(huán)路是一些簡單電路，僅要求一個(gè)簡易電源、一個(gè)完成測(cè)量然后產(chǎn)生電流的發(fā)送器、一條傳輸線以及一個(gè)接收機(jī)電路。電源只需提供足以克服各種系統(tǒng)壓降問題的電壓；多余的環(huán)路電壓剛好在發(fā)送器處得到降低。由于電流較低，僅有少量功耗，因此發(fā)熱較少。

　　l 電流環(huán)路僅包含一個(gè)電流環(huán)路。因此，根據(jù)基爾霍夫電流定律，通過環(huán)路中所有組件的電流相等。這樣便實(shí)現(xiàn)了較高的抗噪性，而抗噪性又是工業(yè)環(huán)境應(yīng)用的關(guān)鍵。

　　l 由于信號(hào)電平最低達(dá)到 4mA，從而實(shí)現(xiàn)了安全性。如果環(huán)路內(nèi)部出現(xiàn)損壞，或者環(huán)路連接斷開，則接收機(jī)無法讀出電流，其表明出現(xiàn)故障，而非最低信號(hào)電平。

　　l 只要電源電壓高到足以克服系統(tǒng)壓降，則代表測(cè)得信號(hào)的理想電流由發(fā)送器維持。因此，高壓降和低成本的小規(guī)格線材用于進(jìn)行互連，其僅要求增加電源電壓。最為重要的是，線路允許相對(duì)較大的壓降，便可以使用大量的連線。這樣，受測(cè)儀器和對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的控制室之間便可實(shí)現(xiàn)物理隔離，從而為控制室內(nèi)的人員提供安全保護(hù)。

　　基本系統(tǒng)改進(jìn)

　　我們可以利用多余的環(huán)路電壓，用于向接收機(jī)電路供電，否則其會(huì)在發(fā)送器被降下來。圖 2 顯示了一個(gè)在電流環(huán)路中插入的電源。該電源與其供電的接收機(jī)電路一起放置于控制室中——有效地將多余環(huán)路電壓轉(zhuǎn)換為有用輸出功率。

　　圖 2 4-20mA電流環(huán)路中多余環(huán)路電壓的利用

　　由于接收機(jī)電阻不再接地參考，因此可能會(huì)需要電平移動(dòng)電路，以連接數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器輸入。任何高端分流監(jiān)測(cè)器（例如：TI INA138等）都可提供這種極為簡單的電路。這些器件對(duì)共模電壓的小檢測(cè)電阻壓降進(jìn)行測(cè)量，從而降低接收機(jī)電阻的必要壓降。這樣便讓更多的電壓可以為電源所利用，從而降低能源浪費(fèi)。

　　這種電源通常會(huì)提供經(jīng)過穩(wěn)壓的 3.3V 輸出，以為電平位移器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及控制室內(nèi)的所有其他低功耗設(shè)備供電。例如，來自 TI MSP430TM 平臺(tái)的微處理器，其對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，然后做出決策；來自 TI CC430 系列的低功耗 RF 器件，其將數(shù)據(jù)無線傳輸至其他地方。如果無需為特別長的電流環(huán)路購買和安接線路，從而實(shí)現(xiàn)成本節(jié)省，則無線發(fā)送器特別有用。這些器件的功耗必須非常低，因?yàn)檎ト∽噪娏鳝h(huán)路的多余能源數(shù)量有限。

　　最后，這種電源還必須能與此類低功耗電源一起工作—最小電流 4mA，最大電流 20mA。由于這種電流所產(chǎn)生的電壓為環(huán)路的多余電壓，因此電源必須接受一個(gè)寬輸入電壓范圍，并且仍然提供穩(wěn)定的輸出。對(duì)這種電源而言，更困難的是通過限流電源來啟動(dòng)系統(tǒng)。一般而言，啟動(dòng)期間要求更高的輸出功率，對(duì)輸出電容器充電，同時(shí)為負(fù)載提供啟動(dòng)電流。它遠(yuǎn)高于正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)消耗的量。如果電源要在啟動(dòng)期間提供這種高功率，則其輸出功率會(huì)超出電流環(huán)路提供的量。如果出現(xiàn)這種情況，進(jìn)入電源的電壓會(huì)在電源關(guān)閉以前不斷下降。這樣，在重新開啟以前，其輸入電壓會(huì)再次上升，并不斷重復(fù)該過程。當(dāng)電源通過這種小輸入功率工作時(shí)，啟動(dòng)振蕩是我們需要克服的一個(gè)難題。