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4-20mA电流环是一种相对古老的模拟通信方式,较现代数字通信方式。它的优点:1.不需要复杂的编码,解码工作,通信方式简单;2.由于电流环与生俱来的的抗干扰能力,在噪声环境复杂的工业现场具有很高的可靠性;3.具有比较可靠的故障诊断功能。
因此,很多人认为此种通信和控制方式还会继续使用很多年。 4~20mA的电流环便是用4mA表示零信号,用20mA表示信号的满刻度,而低于4mA高于20mA的信号用于各种故障的报警。 问题一:为什么上限设置为20mA? 基于安全、实用、功耗、成本的考虑,特别是要满足防爆的要求,20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。 问题二:为什么下限设置为4mA,而不是0mA? 因为输出为4-20mA的变送器以两线制的居多,两线制即电源,负载串联在一起,没有公共点,一是变送器工作需要一个静态的工作电流,二是电流环的零点与机械零点不重合,可以识别断电和断线等故障。 4-20mA电流环类型: 1.四线制:两根电源线,加上两根电流输出线,总共要接4根线,称之为四线制变送器; 2.三线制:电流输出可以与电源公用一根线(公用VCC或者GND),可节省一根线,所以现在基本上将四线制变送器称之为三线制变送器 3.二线制: 4-20mA电流环本身就可以为变送器供电,变送器在电路中相当于一个特殊的负载,这种变送器只需外接2根线,因而被称为两线制变送器 4-20mA电流环电路设计: 1.使用分立器件松志的电压控制电流源电路。 下图为最简单的电压控制电流源实现形式,由运算放大器U1A,扩流MOSFET Q1,检流电阻R6构成一个典型的电流反馈电路结构,由电阻R6和运算放大器正向输入电压决定了电路输出电流的大小,即Io=Vi+/R6。 电路中的其他器件为起辅助作用,用于提高电路性能。如稳压二极管将12V输入电压再进一步进行降压稳压,电阻R2,R3用于限制VR1两端电压。D1给运算放大器提供一个负压,保证其最低输出可以下降到0V。D3、C2用来保护MOSFET,同时C2还可以防止MOSFET发生振荡。 、 细心的朋友可能已经发现,上面的电路存在一个问题,发送器的电流输出在高端,即发送器和接收器是不共地的。这在某些场合会存在问题。下图的电路通过增加一级电流转换电路,将电流源输出改为低端输出。 2.专用集成芯片 ADI公司的AD420/421系列,AD5410/5420系列,TI公司的XTR110系列 如下图为AD5410/5420系列内部结构图,其实现原理与分立器件构成的电路相似,但由于单芯片集成了DAC、压控制电流源电路,为设计都提供了4~20mA电流环单芯片解决方便,大大简化了设计复杂度,提高电路的可靠性。 而下图所示为TI公司XTR111的内部结构框图,这种电路非常适合与传感器输出直接相连构成标准的4~20mA变送器。 |
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