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vin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
rsense = 12.5ω
rload = 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。
vref可以与dac使用相同的基准电压。这种情况下，所有电压(vin)与vref成比例，并消除了由于vref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vref = 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(vin)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vin = +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。vcc = +15v；vee = -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。vcc = +18v；vee = -18v。
从0至2.5v输入范围产生4–20ma电流驱动 由上述式5，当vref = -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。vcc = +15v；vee = -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。
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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vin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：
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r2 = 10kω
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vref可以与dac使用相同的基准电压。这种情况下，所有电压(vin)与vref成比例，并消除了由于vref变动引起的误差。
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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。vcc = +15v；vee = -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。
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