電流環詳解

工業現場有許多過程控制系統，從簡單的流量控制到複雜的電網，從環境控制系統到煉鋼廠過程控制，這些控制系統由很多模組組成如**處理單元，輸入模組，模擬量輸出，數字量輸出，電源等等。不同模組之間需要進行資料通訊，在眾多現代通訊方式中，還有一類相對古老的通訊方式顯得比較特殊，這就是4~20ma電流環

。4~20ma電流環

(current loop)是一種模擬通訊方式，與各種現代數字通訊方式相比，它不需要複雜的編碼、解碼工作，通訊方式簡單;由於電流環

與生俱來的抗干擾能力，在雜訊環境複雜的工業現場具有很高的可靠性;同時，4~20ma電流環通訊又有比較可靠的故障診斷功能。所以，設計人員認為，這種通訊和控制方式還會繼續使用很多年。

功能

4~20ma電流環的零電平訊號採用4ma大小的電流表示，滿量程採用20ma電流表示，因此得名「4ma-20ma電流環(current loop)」。4ma以下的電流輸出用來進行故障診斷功能，20ma以上電流被認為是超量程輸出。不同電流輸出的具體含義如下表所示。

下圖是乙個典型的工業控制系統結構圖，cpu

通過輸入模組接收採用4~20ma電流環通訊的感測器

訊號，經過一定的計算後，控制輸出模組對執行機構進行控制。

在這裡，氣體感測器

和cpu

之間的通訊採用4~20ma電流環來實現，這部分的實現如下圖所示。整個通訊環路有氣體感測器

、傳送器、接收器

、雙絞線、電源等幾部分構成。

接收器可以是任何能夠檢測流過檢流電阻兩端電壓的器件，器件的輸出即可以是模擬的也可以是數字的。圖中的檢流電阻一般阻值在100~500 之間，通常認為在這裡250 為「標準」的電阻阻值，125 也是乙個比較常用的阻值。檢流電阻阻值大小取決於接收器

的需要和電路設計，而非唯一的。

傳送器用來將感測器

輸出訊號轉化為4~20ma電流訊號。它的電路實現形式多種多樣，即可以是由分立器件搭建的電流環也可以是專用整合電流環晶元，只要能夠實現電流環的輸出電流大小正比於感測器

輸出訊號即可。當感測器

輸出訊號為零或者感測器

輸出訊號處於輸出範圍下限，傳送器輸出電流為4ma;當感測器

輸出訊號位於輸出範圍上限，則傳送器輸出電流為20ma。

需要注意的是，雖然4~20ma電流環以其結構簡單是、可靠性高的特點在各種不同場合得到廣泛應用，但在需要高速通訊的場合，一般認為4~20ma不適合。電流源的高阻特性、

傳輸電纜的寄生引數等因素限制了整個環路的頻率響應。

電路實現

前面已經提到，4~20ma電流環的實現形式多種多樣，下面介紹幾種比較常用的電路實現。

下圖為最簡單的電壓控制電流源實現形式，由運算放大器u1a，擴流mosfet q1，檢流電阻r6構成乙個典型的電流反饋電路結構，由電阻r6和運算放大器正向輸入電壓決定了電路輸出電流的大小，即io=vi+/r6。

電路中的其他器件為起輔助作用，用於提高電路效能。如穩壓二極體將12v輸入電壓再進一步進行降壓穩壓，電阻r2，r3用於限制vr1兩端電壓。d1給運算放大器提供乙個負壓，保證其最低輸出可以下降到0v。d3、c2用來保護mosfet，同時c2還可以防止mosfet發生振盪。

細心的朋友可能已經發現，上面的電路存在乙個問題，傳送器的電流輸出在高階，即傳送器和接收器是不共地的。這在某些場合會存在問題。下圖的電路通過增加一級電流轉換電路，將電流源輸出改為低端輸出。

除了上述兩種由分立器件構成的電壓控制電流源電路外，目前各大ic廠商也都推出了自己的4~20ma整合解決方案。如adi公司的ad420/421系列，ad5410/5420系列，ti公司的xtr110系列等。

如下圖為ad5410/5420系列內部結構圖，其實現原理與分立器件構成的電路相似，但由於單晶元整合了dac、壓控制電流源電路，為設計都提供了4~20ma電流環單晶元解決方便，大大簡化了設計複雜度，提高電路的可靠性。

而下圖所示為ti公司xtr111的內部結構框圖，這種電路非常適合與感測器

輸出直接相連構成標準的4~20ma變送器。