电压转4-20mA电流模块电路设计原理解析

电脑维修

本文详细解析了一款0-2.5V/3.3V/5V/10V/15V/24V转4-20mA电流变送器的电路设计，包括压控恒流电路、电压信号放大、调零功能和量程调节。电路利用运放和三极管构成的压控恒流源，通过调整电位器实现输出电流的精确控制，确保在长距离传输模拟信号时避免衰减和干扰。同时，提供了模块的使用步骤和注意事项，强调了负载限制的重要

       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

.