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電壓轉4-20mA電路設計

印寧華|Indining China|

2024-08-21 10:34:12 934

在工業控制等傳感器的應用電路中，輸出模擬信號一般以電壓形式存在。在以電壓方式長距離傳輸模擬信號時，信號源電阻或傳輸線路的直流電阻等會引起電壓衰減。為了避免信號在傳輸過程中的衰減，可增大信號接收端的輸入電阻，但信號接收端輸入電阻的增大，使傳輸線路易受外界電磁干擾，因此在長距離傳輸模擬信號時，不能以電壓輸出方式，而需把電壓輸出轉換成電流輸出。

電壓電流轉換器是將輸入電壓信號轉換成電流信號的電路，是由電壓控制的電流源。是將輸入的電壓信號轉換成滿足一定關系的電流信號，轉換后的電流相當一個輸出可調的恒流源，其輸出電流應能夠保持穩定而不會隨負載的變化而變化。

下面我們解析一款0-2.5V3.3V5V10V15V24轉4-20mA電流變送器的電路設計原理。

①壓控恒流電路

這是由運放與三極管組成的壓控恒流源，其原理是通過負反饋控制運放輸出電壓控制NPN型三極管基極到發射極的電流大小，進而控制三極管輸出電流的大小，三極管工作與放大狀態，運放及外圍電阻組成了同相放大器，放大倍數為1+（R11/R8）=2，VCC作為三極管及運放的供電電源。

電路中的運放同相輸入端的電壓并非由外部輸入的Ui單獨控制，而是又通過了電阻R6將UB電壓引入，即采樣電阻R6低壓側的電壓，根據電阻分壓，運放的同相輸入端即10端電壓為（Ui-UB）/2 +UB，則UA=2*（（Ui-UB）/2 +UB））=Ui+UB，那么R1兩端的電壓差為UA-UB=Ui，即通過R1的電流為Ui/R1，由此控制Ui的大小，即可控制輸出電流的大小。

需要注意的是后級輸出負載不能過大，當負載所產生的的壓降大于三極管供電電源VCC時則說明負載過大，此時三極管是無法提供足夠電流的。

②電壓信號放大

根據輸出電流范圍4-20mA，反推出Ui的對應范圍為0.4-2V，則在Ui前加一級放大電路如下圖：

③調零功能：

由于模塊電路對應輸出的電流范圍是4-20mA，那么必須保證在輸入電壓為0v時Ui為0.4V，即需要在同相放大器U1A同相輸入端加調壓電路，調壓電路電壓必須*穩定，不受電源電壓波動的影響，故由TL431組成以2.5V為基準電壓源，經由電位器RP2分壓出可調電壓經過跟隨器輸出經由R5輸入到U1A同相輸入端。

如此則可通過調節電位器RP2即可調節對應輸出電流大小，則在使用模塊前，通過調節RP2將輸出電流調節為4mA即可。