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0-V24电压转电流4-20mA模块电路设计原理解析

作者: 时间:2024-09-10 来源:硬件笔记本 收藏

在工业控制等传感器的应用电路中,输出模拟信号一般以电压形式存在。在以电压方式长距离传输模拟信号时,信号源电阻或传输线路的直流电阻等会引起电压衰减。为了避免信号在传输过程中的衰减,可增大信号接收端的输入电阻,但信号接收端输入电阻的增大,使传输线路易受外界电磁干扰,因此在长距离传输模拟信号时,不能以电压输出方式,而需把电压输出转换成电流输出。

本文引用地址:https://www.eepw.com.cn/article/202409/462842.htm

电压电流转换器是将输入电压信号转换成电流信号的电路,是由电压控制的电流源。是将输入的电压信号转换成满足一定关系的电流信号,转换后的电流相当一个输出可调的恒流源,其输出电流应能够保持稳定而不会随负载的变化而变化。

下面我们解析一款0-2.5V3.3V5V10V15V24转4-20mA电流变送器的原理。

①压控恒流电路


这是由运放与三极管组成的压控恒流源,其原理是通过负反馈控制运放输出电压控制NPN型三极管基极到发射极的电流大小,进而控制三极管输出电流的大小,三极管工作与放大状态,运放及外围电阻组成了同相放大器,放大倍数为1+(R11/R8)=2,VCC作为三极管及运放的供电电源。


电路中的运放同相输入端的电压并非由外部输入的Ui单独控制,而是又通过了电阻R6将UB电压引入,即采样电阻R6低压则的电压,根据电阻分压,运放的同相输入端即10端电压为(Ui-UB)/2 +UB,则UA=2*((Ui-UB)/2 +UB))=Ui+UB,那么R1两端的电压差为UA-UB=Ui,即通过R1的电流为Ui/R1,由此控制Ui的大小,即可控制输出电流的大小。

需要注意的是后级输出负载不能过大,当负载所产生的的压降大于三极管供电电源VCC时则说明负载过大,此时三极管是无法提供足够电流的。

②电压信号放大

根据输出电流范围4-20mA,反推出Ui的对应范围为0.4-2V,则在Ui前加一级放大电路如下图:


③调零功能:

由于模块电路对应输出的电流范围是4-20mA,那么必须保证在输入电压为0v时Ui为0.4V,即需要在同相放大器U1A同相输入端加调压电路,调压电路电压必须精准稳定,不受电源电压波动的影响,故由TL431组成以2.5V为基准电压源,经由电位器RP2分压出可调电压经过跟随器输出经由R5输入到U1A同相输入端。

如此则可通过调节电位器RP2即可调节对应输出电流大小,则在使用模块前,通过调节RP2将输出电流调节为4mA即可。


④量程调节

电压输入部分先通过运放构成的跟随器(输入阻抗高,输出阻抗小)输出,再经由电位器来作将输入电压衰减。经过调零操作后,可先将输入电压调节至最大值,再通过调节电位器RP1使输出电流达到20mA为止即可。


⑤模块使用步骤

例如想要实现0-10V对应输出4-20mA电流功能,则第一步先调零操作,使输入电压先为0V,通过调节电位器RP2使输出电流达到4mA,再将输入电压调节至10V,通过调节电位器RP1,直至使输出电流达到20mA,即调节完毕,对于其他量程的调节和上述步骤一致。

注意:后级输出负载不能过大,当负载所产生的的压降大于三极管供电电源VCC时则说明负载过大,此时三极管是无法提供足够电流的。

⑥模块整体原理图




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