4-20mA輸出電路

使用背景

工業(yè)用的儀器儀表一般處于比較復(fù)雜的工作環(huán)境中，電壓信號(hào)容易受到噪聲的干擾。
并且電壓信號(hào)在進(jìn)行長(zhǎng)距離輸送時(shí)，由于線纜內(nèi)阻的影響會(huì)產(chǎn)生壓降，而對(duì)于電流而言，則沒(méi)有影響。
因此工業(yè)上一般采用電流傳遞信號(hào)。

行業(yè)內(nèi)為此形成了一個(gè)模擬輸出的標(biāo)準(zhǔn)，即4-20mA。4mA的電流表示傳感器或儀器檢測(cè)的零值，20mA則為滿量程值，而小于4mA或者大于20mA的電流則被用于各種故障的報(bào)警。
若檢測(cè)到0mA則說(shuō)明電路發(fā)生了開(kāi)路故障。

傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件以及信號(hào)調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)化電路構(gòu)成。
其中處理的電信號(hào)一般為電壓信號(hào)，因此，在對(duì)信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸之前，需要將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。

最簡(jiǎn)單的V/A轉(zhuǎn)換電路

V/A轉(zhuǎn)換的功能使用最常用的便是使用運(yùn)算放大器搭建電路，考慮到運(yùn)算放大器的輸出電流的能力較弱，因此需要加入一個(gè)三極管增強(qiáng)電流輸出能力。
基于此可以設(shè)計(jì)出一個(gè)最簡(jiǎn)單的V/A轉(zhuǎn)換電路。

圖中由虛短虛斷可知
$$U_{+}=U_{?}=V_3$$
然后便有
$$I_{R2}=\frac{U_{?}}{R_2}$$
有三極管的特性可知
$$I_{R_2}\approx I_{R_1}$$
所以，電流的大小和$R_1$的阻值沒(méi)有任何關(guān)系，流經(jīng)$R_1$的電流大小是由輸入電壓$V_3$和電阻$R_2$所決定的。
該電路的仿真結(jié)果如下：

可以看出輸入電壓和輸出的電流之間存在明顯的線性關(guān)系，所以理論上該方案可行。

Howland電流源

在實(shí)際使用中，上述電路的輸出電流并不穩(wěn)定。在工程應(yīng)用中使用更多的是Howland電流源電路。在童詩(shī)白教授所著的《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》（第五版）第5.7.1節(jié)中給出了Howland電流源的基本電路結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如下圖所示：

假設(shè)$u_{in?}$接地，$u_{in+}=u_i$，考慮到“虛短”“虛斷”可得
$$\frac{u_i?u_x}{R_1}=\frac{u_x?u_o}{R_2}$$
由上式可得：
$$u_x=(\frac{u_i}{R_1}+\frac{u_o}{R_2})?(R_1//R_2)$$
列出其余結(jié)點(diǎn)電壓方程：
$$\frac{u_{+}}{R_3}=\frac{u_L?u_{+}}{R_4}$$
$$\frac{u_o?u_L}{R_0}=\frac{u_L?u_{+}}{R_4}+\frac{u_L}{R_L}$$
$$\frac{u_x?u_o}{R_2}=\frac{u_o?u_L}{R_0}$$
假如取$R_1=R_2=R_3=R_4$，可以得到：
$$i_L=\frac{u_i}{R_0}$$
故流經(jīng)$R_L$的電流大小取決于輸入電壓$u_i$和電阻$R_0$，而與自身阻值無(wú)關(guān)。更多關(guān)于該電路的細(xì)節(jié)可以參考《高精度、快速建立的大電流源》而為了增強(qiáng)電路輸出電流的能力，可以采用改進(jìn)型Howland電流源電路，其電路結(jié)構(gòu)圖如下：

該電路設(shè)計(jì)思路結(jié)合上面所提到的兩個(gè)電路，利用三極管增強(qiáng)電路的電流輸出能力。同樣的該電路需要滿足$R_1=R_2=R_3=R_4$這一條件，才能使輸出電流滿足下式：
$$i_O=\frac{V_{IN}}{R_5}$$
《選擇電阻以較大程度減少接地負(fù)載電流源誤差》這篇文章進(jìn)一步介紹了實(shí)際電路中所用電阻的誤差對(duì)于該電路輸出電流誤差的影響，并給出了一些工程應(yīng)用上的建議。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的电压转电流，4-20mA输出电路的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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