在4~20mA电流环中如何使用高压、大电流驱动放大器

2010-03-03 15:36:31来源: 今日电子

    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,或从这些中心单元传送至远端传感器。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(见图1)。传感器用于测量物理参数(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4~20mA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 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(见图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

    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。

图3 利用VI转换器将DAC输出转换为负载电流

    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。

    输入电压VIN与负载电流的关系见式(1):

VIN=(R2/R1)×RSENSE× ILOAD+VREF                     (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,-2.5~+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)))                  (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中曲线变得平坦,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

    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。

    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

从0~2.5V输入范围产生4~20mA电流驱动

    由式(3),当VREF=-0.25V、输入范围介于0~+2.5V时能够产生2~22mA的电流输出(见图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,2~22mA),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0~2.5V输入电压范围产生4~20mA输出电流

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传感器的工业应用。

    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。

关键字:电流环  放大器  MAX9943  电流驱动

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2010/0303/article_2089.html
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