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V_IN与负载电流的关系如式1所示：