相对古老的通信方式--4-20mA电流环电路

出处:厂商供稿 发布于:2022-10-20 17:06:48

    工业现场有许多过程控制系统,从简单的流量控制到复杂的电网,从环境控制系统到炼钢厂过程控制,这些控制系统由很多模块组成如中央处理单元,输入模块,模拟量输出,数字量输出,电源等等。不同模块之间需要进行数据通信,在众多现代通信方式中,还有一类相对古老的通信方式显得比较特殊,这就是4-20mA电流环。
    4-20mA电流环(current loop)是一种模拟通信方式,与各种现代数字通信方式相比,它不需要复杂的编码、解码工作,通信方式简单;由于电流环与生俱来的抗干扰能力,在噪声环境复杂的工业现场具有很高的可靠性;同时,4-20mA电流环通信又有比较可靠的故障诊断功能。所以,设计人员认为,这种通信和控制方式还会继续使用很多年。
    4-20mA电流环功能
    的零电平信号采用4mA大小的电流表示,满量程采用20mA电流表示,因此得名“4-20mA电流环(current loop)”。4mA以下的电流输出用来进行故障诊断功能,20mA以上电流被认为是超量程输出。不同电流输出的具体含义如下表所示。
    电流输出 mA
    状态
    0.0
    单元故障
    0.8
    单元预热
    1.2
    零点漂移故障
    1.6
    校准故障
    2.0
    单元生产(跨接)
    2.2
    单元调零
    4.0-20.0
    常规测量模式
    4.0
    零气体级别
    5.6
    满量程的10%
    8.0
    满量程的25%
    12.0
    满量程的50%
    16.0
    满量程的75%
    20.0
    满量程
    >20.0
    超量程

    下图是一个典型的工业控制系统结构图,CPU通过输入模块接收采用4-20mA电流环通信的传感器信号,经过一定的计算后,控制输出模块对执行机构进行控制。

    典型的工业控制系统结构图

    在这里,气体传感器和CPU之间的通信采用4-20mA电流环来实现,这部分的实现如下图所示。整个通信环路有气体传感器、发送器、接收器、双绞线、电源等几部分构成。

    4-20mA通信环路
    接收器可以是任何能够检测流过检流电阻两端电压的器件,器件的输出即可以是模拟的也可以是数字的。图中的检流电阻一般阻值在100-500Ω之间,通常认为在这里250Ω为“标准”的电阻阻值,125Ω也是一个比较常用的阻值。检流电阻阻值大小取决于接收器的需要和电路设计,而非的。
    发送器用来将传感器输出信号转化为4-20mA电流信号。它的电路实现形式多种多样,即可以是由分立器件搭建的电流环也可以是专用集成电流环芯片,只要能够实现电流环的输出电流大小正比于传感器输出信号即可。当传感器输出信号为零或者传感器输出信号处于输出范围下限,发送器输出电流为4mA;当传感器输出信号位于输出范围上限,则发送器输出电流为20mA。
    需要注意的是,虽然4-20mA电流环以其结构简单是、可靠性高的特点在各种不同场合得到广泛应用,但在需要高速通信的场合,一般认为4-20mA不适合。电流源的高阻特性、传输电缆的寄生参数等因素限制了整个环路的频率响应。

    4-20mA电流环电路实现

    前面已经提到,4-20mA电流环的实现形式多种多样,下面介绍几种比较常用的电路实现。
    下图为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I0=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。

    电压控制电流源实现形式
    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电流转换电路,将电流源输出改为低端输出。

    增加电流转换电路,将电流源输出改为低端输出

    除了上述两种由分立器件构成的电压控制电流源电路外,目前各大IC厂商也都推出了自己的4-20mA集成解决方案。如ADI公司的AD420/421系列,AD5410/5420系列,TI公司的XTR110系列等。

    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。

    AD5410/5420系列内部结构图

    而下图所示为TI公司XTR111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
    XTR111内部结构框图
关键词:电子

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