在4–20mA電流環中如何使用高壓、大電流驅動運算放大器

本文討論在過程控制工業應用中如何利用高壓、大電流驅動運算放大器將電壓信號轉換為±20mA或4–20mA電流信號。以MAX9943運算放大器為例，給出了試驗說明和測試結果。

引言

電流環在過程控制工業系統中的應用已經具有很長歷史。通過電流環可以將信息從遠端傳感器傳遞到中央處理單元，或從這些中央處理單元傳送至遠端激勵源。4–20mA電流環的應用非常普遍，而有些系統則采用了±20mA電流環。對于低阻負載，采用高壓運算放大器提供大電流驅動可以省去外部功率FET，從而簡化電路設計。

本文討論在4–20mA電流環中如何使用高壓、大電流驅動運算放大器。運算放大器將來自DAC的電壓信號轉換成±20mA或4–20mA的電流輸出，實驗中采用了MAX9943運算放大器，文中給出了測試數據。

電流環基礎

電流環通常包括傳感器、發送器、接收器和ADC或微控制器(圖1)。傳感器用于測量物理參數(例如壓力或溫度)，提供相應的輸出電壓；發送器將傳感器輸出按比例轉換成4mA至20mA電流信號；接收器則將4–20mA電流轉換為電壓信號，ADC或微控制器將接收器的電壓輸出轉換成數字信號。


圖1. 簡單電流環的主要部件

電流環中，信息通過電流調制信號進行傳輸。對于4–20mA系統，4mA通常表示傳感器的零輸出，20mA表示滿量程輸出。很容易區分環路斷路(0mA，故障狀態)與傳感器的零輸出(4mA)。

與電壓調制信號相比，電流環從本質上具有更高的抗干擾能力，非常適合嘈雜的工業環境。信號可以長距離傳輸，信息能夠發送到遠端或從遠端接收。通常情況下，傳感器遠離系統微控制器所處的控制中心。

比較復雜的系統包括從微控制器或DSP到激勵源的另一電流環(圖2)。DAC將數字信息轉換成模擬電壓信號。電流環發送器將DAC輸出電壓轉換成驅動激勵源的4–20mA或±20mA電流信號。電網監測系統也存在類似應用，通過成熟算法確定系統的當前狀態，預測系統變化方向，并通過控制環路動態調整系統。


圖2. 采用另一個電流環控制激勵源的復雜系統

利用運算放大器實現VI轉換，提供大電流驅動

圖3所示電路利用兩個運算放大器和少數外部電阻構建了一個簡單的VI (電壓-電流)轉換器。采用±15V供電時，運算放大器(這里為MAX9943)能夠向小阻抗負載提供±20mA以上的輸出電流。

MAX9943是一款36V運算放大器，具有大電流輸出驅動能力。驅動高達1nF的負載電容時保持穩定。該器件可理想用于需要將DAC輸出的電壓信號按比例轉換成4–20mA或±20mA電流信號的工業應用。


圖3. 利用VI轉換器將DAC輸出轉換為負載電流，該電路采用兩片MAX9943運算放大器。

輸入電壓V_IN與負載電流的關系如式1所示：