4-20mA输出电路讲解

4-20mA输出电路
一、4-20mA电流环工作原理
在工业现场，用一个仪表放大器来完成信号的调理并进行长线传输，会产生以下问题：
1.由于传输的信号是电压信号，传输线会受到噪声的干扰；
2.传输线的分布电阻会产生电压降；
3.在现场如何提供仪表放大器的工作电压也是个问题。

为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，我们用电流来传输信号，因为电流对噪声并不敏感。

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。

对4－20mA电路的输出要求
1）输出电流与输入电压成正比；
2）输出电流为恒流源。

即当负载电阻在规定范围内变化时，输出电流保持不变；
3）输出电流对电源变化、环境温度等的变化不敏感。

一般地，还要附加一个要求，即输入电压与输出电流共地。

二、4-20mA电路
1. 7362405593
由图可见，电路中的主要元件为一运算放大器LM324和三极管BG9013及其他辅助元件构成，V0为偏置电压，Vin为输入电压即待转换电压，R 为负载电阻。

其中运算放大器起比较器作用，将正相端电压V+输入信号与反相端电压V-进行比较，经运算放大器放大后再经三极管放大，BG9013的射级电流Ie作用在电位器Rw上。

由运放性质可知：V-= Ie•Rw= (1+ k)Ib•Rw (k为BG9013的放大倍数)，流经负荷R 的电流Io即BG9013的集电极电流等于k•Ib。

令R1=R2，
则有V+= V- = V0+Vm= (1+k)Ib•Rw= (1+1/k)Io•Rw，其中k>1
所以Io≈ (Vo+Vin)/Rw
其中：Io 为输出到负载的电流
Vo 为偏置电压
Vin为输入电压即待转换电压
Rw为反馈电阻即三极管射极电流Ie流经的电位器或电阻由上述分析可见，输出电流Io的大小与输入电压Vin成正比(偏置电压和反馈电阻Rw为定值时)，而与负载电阻R的大小无关，说明电路良好的恒流性能。

在改变Vo的大小，可在Vin=0时改变Io的输出。

在Vo一定时改变Rw的大小，可以改变Vin与Io的比例关系。

由Io≈(V0+Vi)/Rw 关系式可知，当确定了Vin 和Io之间的比例关系后，即可方便地确定偏置电压V0和反馈电阻Rw。

例：
(1)将0～5V 电压转换成0～5mA的电流信号，可令V0=0，Rw=1kΩ，其中Vo=0相当于将其直接接地。

(2)将0～5V电压信号转换成1～5mA电流信号，则可确定V0=1.25V，
Rw=1.25kΩ。

(3)将4～20mA 电流信号转换成1～5mA电流信号，需先将4～20mA转换成电压即可按上述关系确定V0和Rw的参数大小，其他转换可依次类推。

为了使输入输出获得良好的线性对应关系，要特别注意元器件的选择，如输入电阻R1、R2及反馈电阻Rw，要选用低温漂的精密电阻或精密电位器，元件要经过精确测量后再焊接，并经过仔细调试以获得最佳的性能。

我们在多次实际应用中测试，上述转换电路的最大非线性失真一般小于0.03% ，转换精度符合要求。

2. 一种典型的V/I变换器要求将0~5V输入电压线性地转换为0~20mA电流源输出，基本精度在0.2%以内；当负载在0~300Ω变化时，输出电流变化应在规定精度之内。

满足此要求的最简单电路如下图：
R6为外接负载，在满足R2/R1=R3/(R4+W1)以及R6远小于R3的情况下，流过R6的输出电流为Vin*R2/(R1*R5)与R6的变化无关。