在4~20mA電流環(huán)中如何使用高壓、大電流驅動放大器

電流環(huán)在過程控制工業(yè)系統中的應用已經具有很長歷史。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，或從這些中心單元傳送至遠端傳感器。4～20mA電流環(huán)的應用非常普遍，而有些系統則采用了±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、大電流驅動運算放大器。運算放大器將來自DAC的電壓信號轉換成±20mA或4～20mA的電流輸出，實驗中采用了MAX9943運算放大器，文中給出了測試數據。

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(見圖1)。傳感器用于測量物理參數(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換成4～20mA電流信號；接收器則將4～20mA電流轉換為電壓信號，ADC或微控制器將接收器的電壓輸出轉換成數字信號。

圖1 單電流環(huán)的主要部件

電流環(huán)中，信息通過電流調制信號進行傳輸。對于4～20mA系統，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)。與電壓調制信號相比，電流環(huán)從本質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，傳感器遠離系統微控制器所處的控制中心。比較復雜的系統包括從微控制器或DSP到激勵源的另一電流環(huán)(見圖2)。DAC將數字信息轉換成模擬電壓信號。電流環(huán)發(fā)送器將DAC輸出電壓轉換成驅動激勵源的4～20mA或±20mA電流信號。電網監(jiān)測系統也存在類似應用，通過成熟算法確定系統的當前狀態(tài)，預測系統變化方向，并通過控制環(huán)路動態(tài)調整系統。

圖2 采用另一個電流環(huán)控制激勵源的復雜系統

利用運算放大器實現VI轉換
圖3所示電路利用兩個運算放大器和少數外部電阻構建了一個簡單的VI (電壓-電流)轉換器。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。

圖3 利用VI轉換器將DAC輸出轉換為負載電流

MAX9943是一款36V運算放大器，具有大電流輸出驅動能力。驅動高達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換成4～20mA或±20mA電流信號的工業(yè)應用。

輸入電壓VIN與負載電流的關系見式(1)：

VIN=(R2/R1)×RSENSE× ILOAD+VREF (1)

該電路中，元件取值分別為

R1=1kΩ

R2=10kΩ

RSENSE=12.5Ω

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