設計人員必會的4-20mA電流環電路
2023年01月26日 09:40:06
來源：云南昌暉儀表制造有限公司 >> 進入該公司展臺
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工業現場有許多過程控制系統，從簡單的流量控制到復雜的電網，從環境控制系統到煉鋼廠過程控制，這些控制系統由很多模塊組成如處理單元，輸入模塊，模擬量輸出，數字量輸出，電源等等。不同模塊之間需要進行數據通信，在眾多現代通信方式中，還有一類相對古老的通信方式顯得比較特殊，這就是4-20mA電流環。
4-20mA電流環(current loop)是一種模擬通信方式，與各種現代數字通信方式相比，它不需要復雜的編碼、解碼工作，通信方式簡單;由于電流環與生俱來的抗力，在噪聲環境復雜的工業現場具有很高的可靠性;同時，4-20mA電流環通信又有比較可靠的故障診斷功能。所以，設計人員認為，這種通信和控制方式還會繼續使用很多年。
4-20mA電流環功能的零電平信號采用4mA大小的電流表示，滿量程采用20mA電流表示，因此得名“4-20mA電流環(current loop)”。4mA以下的電流輸出用來進行故障診斷功能，20mA以上電流被認為是超量程輸出。不同電流輸出的具體含義如下表所示。 | 電流輸出 mA | 狀態 |
| 0.0 | 單元故障 |
| 0.8 | 單元預熱 |
| 1.2 | 零點漂移故障 |
| 1.6 | 校準故障 |
| 2.0 | 單元生產(跨接) |
| 2.2 | 單元調零 |
| 4.0-20.0 | 常規測量模式 |
| 4.0 | 零氣體級別 |
| 5.6 | 滿量程的10% |
| 8.0 | 滿量程的25% |
| 12.0 | 滿量程的50% |
| 16.0 | 滿量程的75% |
| 20.0 | 滿量程 |
| ＞20.0 | 超量程 |
下圖是一個典型的工業控制系統結構圖，CPU通過輸入模塊接收采用4-20mA電流環通信的傳感器信號，經過一定的計算后，控制輸出模塊對執行機構進行控制。
在這里，氣體傳感器和CPU之間的通信采用4-20mA電流環來實現，這部分的實現如下圖所示。整個通信環路有氣體傳感器、發送器、接收器、雙絞線、電源等幾部分構成。
接收器可以是任何能夠檢測流過檢流電阻兩端電壓的器件，器件的輸出即可以是模擬的也可以是數字的。圖中的檢流電阻一般阻值在100-500Ω之間，通常認為在這里250Ω為“標準”的電阻阻值，125Ω也是一個比較常用的阻值。檢流電阻阻值大小取決于接收器的需要和電路設計，而非的。
發送器用來將傳感器輸出信號轉化為4-20mA電流信號。它的電路實現形式多種多樣，即可以是由分立器件搭建的電流環也可以是專用集成電流環芯片，只要能夠實現電流環的輸出電流大小正比于傳感器輸出信號即可。當傳感器輸出信號為零或者傳感器輸出信號處于輸出范圍下限，發送器輸出電流為4mA;當傳感器輸出信號位于輸出范圍上限，則發送器輸出電流為20mA。
需要注意的是，雖然4-20mA電流環以其結構簡單是、可靠性高的特點在各種不同場合得到廣泛應用，但在需要高速通信的場合，一般認為4-20mA不適合。電流源的高阻特性、傳輸電纜的寄生參數等因素限制了整個環路的頻率響應。
4-20mA電流環電路實現前面已經提到，4-20mA電流環的實現形式多種多樣，下面介紹幾種比較常用的電路實現。下圖為的電壓控制電流源實現形式，由運算放大器U1A，擴流MOSFET Q1，檢流電阻R6構成一個典型的電流反饋電路結構，由電阻R6和運算放大器正向輸入電壓決定了電路輸出電流的大小，即I0=Vi+/R6。
電路中的其他器件為起輔助作用，用于提高電路性能。如穩壓二極管將12V輸入電壓再進一步進行降壓穩壓，電阻R2，R3用于限制VR1兩端電壓。D1給運算放大器提供一個負壓，保證其輸出可以下降到0V。D3、C2用來保護MOSFET，同時C2還可以防止MOSFET發生振蕩。
細心的朋友可能已經發現，上面的電路存在一個問題，發送器的電流輸出在，即發送器和接收器是不共地的。這在某些場合會存在問題。下圖的電路通過增加一級電流轉換電路，將電流源輸出改為低端輸出。
除了上述兩種由分立器件構成的電壓控制電流源電路外，目前各大IC廠商也都推出了自己的4-20mA集成解決方案。如ADI公司的AD420/421系列，AD5410/5420系列，TI公司的XTR110系列等。
如下圖為AD5410/5420系列內部結構圖，其實現原理與分立器件構成的電路相似，但由于單芯片集成了DAC、壓控制電流源電路，為設計都提供了4-20mA電流環單芯片解決方便，大大簡化了設計復雜度，提高電路的可靠性。
而下圖所示為TI公司XTR111內部結構框圖，這種電路非常適合與傳感器輸出直接相連構成標準的4-20mA變送器。
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