电压转4-20mA电路设计

印宁华|Indining China|

2024-08-21 10:32:10 873

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。

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电流变送器的电路设计原理。

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低压侧的电压，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*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。