隔离PWM型4~20mA及电压输出电路工作原理

电器维修

该电路将隔离PWM转换为4~20mA恒流输出，并通过选贴IV转换电阻R20兼容0~5V或0~10V电压输出，电路如图示
电路按功能单元分析如下:
一、 TL432基准源电路
12V电源经限流电阻R21接入TL432阴极，TL432调整端由分压电阻R22、R23分压设定，电容C11、C12滤波后输出稳定的3.3V基准电压。如图示

该电压作为逻辑门供电，使逻辑门输出高电平被限定在3.3V，低电平接近地。
基准源的作用是稳定逻辑门供电，避免12V电源波动直接改变PWM整形后的高电平幅值，为后续分压和滤波提供稳定电平基准。TL432自身温漂和分压电阻温漂会影响3.3V精度，进而影响PWM平均电压。
二、逻辑门电路
隔离芯片输出的PWM送入逻辑门输入端，逻辑门起缓冲和整形作用。如图示

隔离后的PWM边沿可能变缓、电平一致性变差，经逻辑门后输出边沿更陡、高低电平更明确的PWM。
逻辑门高电平由3.3V基准供电决定，低电平接近地，因此整形后PWM的幅度稳定。该稳定幅度的PWM送入分压网络，使后续滤波得到的直流电压与占空比保持对应关系。
三、 分压与二阶滤波电路
整形后的PWM先经电阻R13、R14串联再与R15分压，将高电平幅度降低到运放输入允许范围，同时保持占空比信息。
分压后的PWM进入由R16、C8及R17、R9构成的二阶RC低通滤波，两级RC依次滤除PWM基频及高频谐波，输出平滑直流电压。如图示

该直流电压等于PWM平均值，随占空比变化。滤波时间常数影响响应速度与纹波，时间常数过小则纹波大，过大则响应慢。该直流电压送入运放同相端，作为恒流源的控制量。
四、 Sink恒流源电路后级这一部分，就是一个典型的Sink类型的恒流源，由运放和调整管Q2及电流检测电阻R19等构成。如图示

运放同相端接二阶RC滤波后的直流控制电压，反相端接电流检测电阻R19上端，运放输出驱动NPN三极管Q2基极。负载一端接正电源，另一端接输出接口，电流经负载流入三极管集电极，再从发射极经R19流向地。
R19上的电压随输出电流变化，并反馈到运放反相端。运放调节三极管基极电流，使反相端电压跟随同相端控制电压，从而稳定输出电流。如图示

三极管基极电流不流过负载，但发射极电流包含基极电流，因此负载电流略小于R19电流。三极管放大倍数随温度变化会改变基极电流，引入输出误差；放大倍数越低，该误差越明显。
五、 IV转换电路
R20为预留的IV转换电阻，电压输出时选贴。Sink恒流源的输出电流从输出接口流入R20，在R20上形成电压。如图示

R20选贴250Ω时，若输出电流范围为0~20mA，则R20上电压为0~5V；贴500Ω时，同样电流范围对应0~10V。
若恒流源保持4~20mA，则250Ω对应1~5V，500Ω对应2~10V，零点不为0V；标称0~5V或0~10V，对应电流范围需为0~20mA或设置零点偏置。电压输出时，外部检测设备输入阻抗应远大于R20，否则分流会降低输出电压精度。
六、 接口输出保护电路
输出接口串联磁珠L3、L4，磁珠对高频干扰呈较高阻抗，抑制外部高频噪声进入电路，同时限制接口快速瞬变。
接口并联双向20V TVS，当接口出现瞬态过压时，TVS导通钳位，将电压限制在器件允许范围内，保护三极管、检流电阻及后级电路。如图示

磁珠与TVS配合，提高接口对外部干扰和瞬态过压的耐受能力。