为4-20mA环路电源增加故障保护

该电路为4-20mA电流环路提供灵活的故障保护。此外，它还包括用于恢复施加在环路上的数字信号（例如HART协议）的电路。

4-20mA 电流环路由控制端的电源和电流测量装置以及感测过程变量信息（如温度或压力）并将其转换为电流的现场变送器组成（图 1）。大多数4-20mA工业环路由24VDC供电，但该电压范围为12V至36V。旧系统中的环路电压可能更高。

图1.4-20mA电流环路的基本架构

许多此类应用需要电流限制或故障保护，或两者兼而有之。例如，由单个电源供电的多个回路之一中的短路或其他大电流故障可能会产生电源故障，从而使由该电源供电的所有发射器失效。另一方面，本质安全回路包括一个屏障模块，用于限制变送器的电流和电压。故障保护源可以增加另一个级别的系统安全性。在每个环路上设置电流限制可以让您准确确定电源的尺寸，而不会过度指定。

图2显示了4-20mA环路的24VDC电源的一种灵活故障保护形式。还包括用于恢复叠加在该环路上的数字信号的电路。U1（带有比较器和基准电压源的高边电流检测放大器）将R1中的环路电流检测为8-40mV电压，并将其放大100，产生0.8V至4V的输出电压范围。该输出（V外） 可以直接驱动外部仪表、带状图记录仪和 A/D 转换器输入。

图2.该电路为4-20mA电流环路提供故障保护和数字信号恢复。

所选的故障-电流跳变点（对于U1的内部比较器#1）由R2-R3分压器设置为0.6V。例如，设置50mA故障的跳变点可在R1和R2之间建立以下关系：

R2/（R1 + R2） = 0.6V/（R1*100*I故障） ==> R1 = 15.67*R2。

发生故障时，COUT1输出采用高阻抗，并由R10拉高。同相级联晶体管对Q2-Q3提供高环路电压接口，同时保留适当的逻辑极性以控制Q1栅极。Q1 保持关断状态，直到 U1 的比较器 #1 被按钮 PB1 或其他复位信号复位。（要禁用此比较器的锁存输出，请将RESET#引脚接地。齐纳二极管ZD1可保护Q1的栅源结免受过压影响。

U2和相关电路可以通过调制恢复施加在4-20mA环路电流上的任何数字信息。例如，HART协议通常使用1200Hz和2400Hz之间的频移键控（FSK）来调制±0.5mA电平之间的环路电流。（对于本电路，调制信号在V处外（U1 的引脚 2）为 ±0.1V。V外来自U1的电容耦合到U2，并由该器件放大以恢复此类数字信号。

U1包括第二个带反相输入的比较器，可用于消除U2数字信号输出中的反转。虽然不是必需的，但该比较器输出（COUT2）也可以（如图所示）将恢复的数字信号呈现为干净的矩形波形，用于驱动外部电路。

审核编辑：郭婷