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

本文討論在過程控制工業(yè)應(yīng)用中如何利用高壓、大電流驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器將電壓信號轉(zhuǎn)換為±20mA或4–20mA電流信號。以MAX9943運(yùn)算放大器為例，給出了試驗(yàn)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(yīng)用已經(jīng)具有很長歷史。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，或從這些中央處理單元傳送至遠(yuǎn)端激勵(lì)源。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(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(yīng)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(jìn)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(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)(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(dòng)激勵(lì)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(yīng)用，通過成熟算法確定系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，預(yù)測系統(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，提供大電流驅(qū)動(dòng)

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。

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輸出的電壓信號按比例轉(zhuǎn)換成4–20mA或±20mA電流信號的工業(yè)應(yīng)用。


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

輸入電壓V_IN與負(fù)載電流的關(guān)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(fù)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(fù)荷時(shí)，負(fù)載阻抗將明顯減小。

V_REF可以與DAC使用相同的基準(zhǔn)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(dòng)引起的誤差。

從±2.5V產(chǎn)生±20mA電流驅(qū)動(dòng)

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

輸入電壓(V_IN)和“正向”運(yùn)算放大器輸出電壓(V1)之間的關(guān)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(guān)系式有助于避免輸出器件飽和。實(shí)際上，當(dāng)V_IN = +2.5V時(shí)，下端運(yùn)算放大器的輸出(V1)達(dá)到12.2V左右。如果輸入電壓超過2.5V，最終輸出器件將達(dá)到其飽和點(diǎn)，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(shí)，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(lán)色曲線為理想的增益曲線；紅色曲線為實(shí)測數(shù)據(jù)。V_CC = +15V；V_EE = -15V。

圖4數(shù)據(jù)說明，當(dāng)源出、吸入電流達(dá)到大約±21.5mA時(shí)，相當(dāng)于±2.68V輸入和正向(下端)運(yùn)算放大器輸出達(dá)到±13V，MAX9943仍然能夠工作在線性范圍。因?yàn)镸AX9943的輸出電壓能夠非常接近負(fù)電源電壓，實(shí)際負(fù)向電流可以達(dá)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(fù)載，給出的是最差工作條件下的技術(shù)指標(biāo)與工藝、溫度的關(guān)系曲線)。

有些應(yīng)用需要更大的輸出電流，以滿足設(shè)計(jì)裕量的需求或?yàn)樾?zhǔn)保留一定空間。對于這類應(yīng)用，圖3電路可采用±18V雙電源(代替±15V)供電。此時(shí)，運(yùn)算放大器能夠驅(qū)動(dòng)最大±24mA (對應(yīng)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(lán)色曲線為理想增益曲線；紅色曲線為實(shí)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(dòng)

由上述式5，當(dāng)V_REF = -0.25V、輸入范圍介于0V至+2.5V時(shí)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(shè)計(jì)人員希望動(dòng)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(zhǔn)。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(lán)色曲線為理想增益曲線；紅色曲線為實(shí)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(yuǎn)端傳感器傳輸?shù)街醒胩幚韱卧驈闹行膯卧獋鬏數(shù)竭h(yuǎn)端激勵(lì)源的工業(yè)應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)證明，MAX9943運(yùn)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(yīng)用。MAX9943在整個(gè)溫度范圍內(nèi)都具有精密的大電流驅(qū)動(dòng)能力。驅(qū)動(dòng)高達(dá)1nF的容性負(fù)載時(shí)能夠保持穩(wěn)定工作，而長距離傳輸中經(jīng)常會(huì)遇到較大的容性負(fù)載。