在4~20mA電流環中如何使用高壓、大電流驅動放大器

電流環在過程控制工業系統中的應用已經具有很長歷史。通過電流環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電流環的應用非常普遍，而有些系統則采用了±20mA電流環。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。

電流環基礎
電流環通常包括傳感器、發送器、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 單電流環的主要部件

電流環中，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。很容易區分環路斷路(0mA，故障狀態)與傳感器的零輸出(4mA)。與電壓調制信號相比，電流環從本質上具有更高的抗干擾能力，非常適合嘈雜的工業環境。信號可以長距離傳輸，信息能夠發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(見圖2)。DAC將數字信息轉換成模擬電壓信號。電流環發送器將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，預測系統變化方向，并通過控制環路動態調整系統。

圖2 采用另一個電流環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。

從±2.5V產生±20mA電流驅動
圖3所示電路亦可用來產生±20mA電流驅動。當VREF=0V時，-2.5～+2.5V的輸入范圍產生標稱±20mA的電流輸出，如圖4所示。輸入電壓(VIN)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)))????????????????? (2)

式中，α=(1/RSENSE)+R2/(R1×(R1+R2))；β=(1/RSENSE)+(1/R1)+(1/RLOAD)

在式（2）中代入元件值：

V1=4.876×VIN-4.872×VREF (3)

式（3）中的關系式有助于避免輸出器件飽和。實際上，當VIN=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中曲線變得平坦，與理想特性曲線不一致。反相端輸入低于-2.5V時，將出現類似結果。

圖4 ±2.5V輸入電壓范圍可產生±20mA輸出電流

圖4數據說明，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。

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，運算放大器能夠驅動最大±24mA (對應于±3V輸入)的電流，并保持工作在線性區域，如圖5所示。

圖5? ±3V輸入電壓范圍可產生±24mA輸出電流

從0～2.5V輸入范圍產生4～20mA電流驅動
由式（3），當VREF=-0.25V、輸入范圍介于0～+2.5V時能夠產生2～22mA的電流輸出(見圖6)。通常在4～20mA電流環中，設計人員希望動態范圍具有一定的附加“空間”(例如，2～22mA)，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0～2.5V輸入電壓范圍產生4～20mA輸出電流

結論
電流環被廣泛用于需要將信息從遠端傳感器傳輸到中央處理單元，或從中心單元傳輸到遠端傳感器的工業應用。

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