在4–20mA电流环中如何使用高压、大电流驱动运算放大器

在4–20mA电流环中如何使用高压、大电流驱动运算放大器

本文讨论在过程控制工业应用中如何利用高压、大电流驱动运算放大器将电压信号转换为±20mA或4–20mA电流信号。以MAX9943运算放大器为例，给出了试验说明和测试结果。

引言

电流环在过程控制工业系统中的应用已经具有很长历史。通过电流环可以将信息从远端传感器传递到中央处理单元，或从这些中央处理单元传送至远端激励源。4–20mA电流环的应用非常普遍，而有些系统则采用了±20mA电流环。对于低阻负载，采用高压运算放大器提供大电流驱动可以省去外部功率FET，从而简化电路设计。

本文讨论在4–20mA电流环中如何使用高压、大电流驱动运算放大器。运算放大器将来自DAC的电压信号转换成±20mA或4–20mA的电流输出，实验中采用了MAX9943运算放大器，文中给出了测试数据。

电流环基础

电流环通常包括传感器、发送器、接收器和ADC或微控制器(图1)。传感器用于测量物理参数(例如压力或温度)，提供相应的输出电压；发送器将传感器输出按比例转换成4mA至20mA电流信号；接收器则将4–20mA电流转换为电压信号，ADC或微控制器将接收器的电压输出转换成数字信号。


图1. 简单电流环的主要部件

电流环中，信息通过电流调制信号进行传输。对于4–20mA系统，4mA通常表示传感器的零输出，20mA表示满量程输出。很容易区分环路断路(0mA，故障状态)与传感器的零输出(4mA)。

与电压调制信号相比，电流环从本质上具有更高的抗干扰能力，非常适合嘈杂的工业环境。信号可以长距离传输，信息能够发送到远端或从远端接收。通常情况下，传感器远离系统微控制器所处的控制中心。

比较复杂的系统包括从微控制器或DSP到激励源的另一电流环(图2)。DAC将数字信息转换成模拟电压信号。电流环发送器将DAC输出电压转换成驱动激励源的4–20mA或±20mA电流信号。电网监测系统也存在类似应用，通过成熟算法确定系统的当前状态，预测系统变化方向，并通过控制环路动态调整系统。


图2. 采用另一个电流环控制激励源的复杂系统

利用运算放大器实现VI转换，提供大电流驱动

图3所示电路利用两个运算放大器和少数外部电阻构建了一个简单的VI (电压-电流)转换器。采用±15V供电时，运算放大器(这里为MAX9943)能够向小阻抗负载提供±20mA以上的输出电流。

MAX9943是一款36V运算放大器，具有大电流输出驱动能力。驱动高达1nF的负载电容时保持稳定。该器件可理想用于需要将DAC输出的电压信号按比例转换成4–20mA或±20mA电流信号的工业应用。


图3. 利用VI转换器将DAC输出转换为负载电流，该电路采用两片MAX9943运算放大器。

输入电压V_IN与负载电流的关系如式1所示：

VIN = (R2/R1) × RSENSE × RLOAD + VREF

(式1)

该电路中，元件取值分别为：
R1 = 1kΩ
R2 = 10kΩ
R_SENSE = 12.5Ω
R_LOAD = 600Ω

典型负载在几百欧姆量级。而发生对地短路故障，或者为了长距离信号传输而在接收器端降低电压负荷时，负载阻抗将明显减小。

V_REF可以与DAC使用相同的基准电压。这种情况下，所有电压(V_IN)与V_REF成比例，并消除了由于V_REF变动引起的误差。

从±2.5V产生±20mA电流驱动

图3所示电路亦可用来产生±20mA电流驱动。当V_REF = 0V时，-2.5V至+2.5V的输入范围产生标称±20mA的电流输出，如图4所示。

输入电压(V_IN)和“正向”运算放大器输出电压(V1)之间的关系如下：

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中的关系式有助于避免输出器件饱和。实际上，当V_IN = +2.5V时，下端运算放大器的输出(V1)达到12.2V左右。如果输入电压超过2.5V，最终输出器件将达到其饱和点，输出电压不再增大。图4曲线变得平坦，与理想特性曲线不一致。反相端输入低于-2.5V时，将出现类似结果。


图4. ±2.5V输入电压范围可产生±20mA输出电流。蓝色曲线为理想的增益曲线；红色曲线为实测数据。V_CC = +15V；V_EE = -15V。

图4数据说明，当源出、吸入电流达到大约±21.5mA时，相当于±2.68V输入和正向(下端)运算放大器输出达到±13V，MAX9943仍然能够工作在线性范围。因为MAX9943的输出电压能够非常接近负电源电压，实际负向电流可以达到较大幅度。该器件的正向输出摆幅限制在正电源电压的2V以内(2V电压值取决于负载，给出的是最差工作条件下的技术指标与工艺、温度的关系曲线)。

有些应用需要更大的输出电流，以满足设计裕量的需求或为校准保留一定空间。对于这类应用，图3电路可采用±18V双电源(代替±15V)供电。此时，运算放大器能够驱动最大±24mA (对应于±3V输入)的电流，并保持工作在线性区域，如图5所示。


图5. ±3V输入电压范围可产生±24mA输出电流。蓝色曲线为理想增益曲线；红色曲线为实测数据。V_CC = +18V；V_EE = -18V。

从0至2.5V输入范围产生4–20mA电流驱动

由上述式5，当V_REF = -0.25V、输入范围介于0V至+2.5V时能够产生2mA至22mA的电流输出(图6)。通常在4–20mA电流环中，设计人员希望动态范围具有一定的附加“空间” (例如：2mA至22mA)，以便用于软件校准。如果需要更大电流，MAX9943可以采用±18V双电源供电，如上所述。


图6. 通过0V至2.5V输入电压范围产生4–20mA输出电流。蓝色曲线为理想增益曲线；红色曲线为实测数据。V_CC = +15V；V_EE = -15V。

结论

电流环被广泛用于需要将信息从远端传感器传输到中央处理单元，或从中心单元传输到远端激励源的工业应用。

实验证明，MAX9943运算放大器非常适合将传感器或DAC输出的电压信号转换成4–20mA或±20mA电流的控制环应用。MAX9943在整个温度范围内都具有精密的大电流驱动能力。驱动高达1nF的容性负载时能够保持稳定工作，而长距离传输中经常会遇到较大的容性负载。