在4–20mA电流环中如何使用高压、大电流驱动运算放大器

2013-11-09 13:52:29来源: 互联网

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。

关键字:电流环  高压  大电流  驱动  运算放大器

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/1109/article_20453.html
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