在4~20mA電流環(huán)中如何使用高壓、大電流驅(qū)動(dòng)放大器

電流環(huán)在過程控制工業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)具有很長(zhǎng)歷史。通過電流環(huán)可以將信息從遠(yuǎn)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(yuǎn)端傳感器。4～20mA電流環(huán)的應(yīng)用非常普遍，而有些系統(tǒng)則采用了±20mA電流環(huán)。對(duì)于低阻負(fù)載，采用高壓運(yùn)算放大器提供大電流驅(qū)動(dòng)可以省去外部功率FET，從而簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。

本文討論在4～20mA電流環(huán)中如何使用高壓、大電流驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大器將來自DAC的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成±20mA或4～20mA的電流輸出，實(shí)驗(yàn)中采用了MAX9943運(yùn)算放大器，文中給出了測(cè)試數(shù)據(jù)。

電流環(huán)基礎(chǔ)
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(cè)量物理參數(shù)(如壓力或溫度)，提供相應(yīng)的輸出電壓；發(fā)送器將傳感器輸出按比例轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號(hào)；接收器則將4～20mA電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，ADC或微控制器將接收器的電壓輸出轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

圖1 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(hào)進(jìn)行傳輸。對(duì)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(hào)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(hào)可以長(zhǎng)距離傳輸，信息能夠發(fā)送到遠(yuǎn)端或從遠(yuǎn)端接收。通常情況下，傳感器遠(yuǎn)離系統(tǒng)微控制器所處的控制中心。比較復(fù)雜的系統(tǒng)包括從微控制器或DSP到激勵(lì)源的另一電流環(huán)(見圖2)。DAC將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)。電流環(huán)發(fā)送器將DAC輸出電壓轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)激勵(lì)源的4～20mA或±20mA電流信號(hào)。電網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也存在類似應(yīng)用，通過成熟算法確定系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，預(yù)測(cè)系統(tǒng)變化方向，并通過控制環(huán)路動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)。

圖2 采用另一個(gè)電流環(huán)控制激勵(lì)源的復(fù)雜系統(tǒng)

利用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)VI轉(zhuǎn)換
圖3所示電路利用兩個(gè)運(yùn)算放大器和少數(shù)外部電阻構(gòu)建了一個(gè)簡(jiǎn)單的VI (電壓-電流)轉(zhuǎn)換器。采用±15V供電時(shí)，運(yùn)算放大器(這里為MAX9943)能夠向小阻抗負(fù)載提供±20mA以上的輸出電流。

圖3 利用VI轉(zhuǎn)換器將DAC輸出轉(zhuǎn)換為負(fù)載電流

MAX9943是一款36V運(yùn)算放大器，具有大電流輸出驅(qū)動(dòng)能力。驅(qū)動(dòng)高達(dá)1nF的負(fù)載電容時(shí)保持穩(wěn)定。該器件可理想用于需要將DAC輸出的電壓信號(hào)按比例轉(zhuǎn)換成4～20mA或±20mA電流信號(hào)的工業(yè)應(yīng)用。

輸入電壓VIN與負(fù)載電流的關(guān)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(fù)載在幾百歐姆量級(jí)。而發(fā)生對(duì)地短路故障，或者為了長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸而在接收器端降低電壓負(fù)荷時(shí)，負(fù)載阻抗將明顯減小。VREF可以與DAC使用相同的基準(zhǔn)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(dòng)引起的誤差。