4-20mA電流環(huán)路測(cè)試儀，使用運(yùn)放作為電壓電流轉(zhuǎn)換器

傳感器是任何測(cè)量系統(tǒng)不可或缺的一部分，因?yàn)樗鼈冇兄趯F(xiàn)實(shí)世界的參數(shù)轉(zhuǎn)換為機(jī)器可以理解的電子信號(hào)。在工業(yè)環(huán)境中，常用的傳感器類型是模擬傳感器和數(shù)字傳感器。數(shù)字傳感器與USART， I2C， SPI等協(xié)議下的0和1通信。模擬傳感器可以通過(guò)可變電流或可變電壓進(jìn)行通信。我們中的許多人應(yīng)該熟悉輸出可變電壓的傳感器，如LDR， MQ氣體傳感器，F(xiàn)lex傳感器等。這些模擬電壓傳感器與電壓電流轉(zhuǎn)換器耦合，將模擬電壓轉(zhuǎn)換成模擬電流，成為可變電流傳感器。

該可變電流傳感器遵循4-20mA協(xié)議，這意味著當(dāng)測(cè)量值為0時(shí)，傳感器將輸出4mA，當(dāng)測(cè)量值為最大值時(shí)，傳感器將輸出20mA。如果傳感器輸出小于4mA或大于20mA，則可以假定為故障狀態(tài)。傳感器通過(guò)雙絞線輸出電流，允許電源和數(shù)據(jù)僅通過(guò)2根線。最低或“零”值為4mA。這是因?yàn)楫?dāng)輸出為零或4mA時(shí)，它仍然可以為設(shè)備供電。此外，由于信號(hào)以電流形式傳輸，因此可以發(fā)送到長(zhǎng)距離，而無(wú)需擔(dān)心由于導(dǎo)線電阻或噪聲抗擾性而導(dǎo)致的電壓下降。

在工業(yè)中，傳感器的校準(zhǔn)是一個(gè)常規(guī)過(guò)程，為了校準(zhǔn)系統(tǒng)并排除錯(cuò)誤結(jié)果，需要執(zhí)行電流回路測(cè)試。在電流回路測(cè)試中，它使用一個(gè)驗(yàn)證過(guò)程來(lái)檢查通信線路的中斷。它還檢查發(fā)射機(jī)輸出電流。在這個(gè)項(xiàng)目中，我們將使用幾個(gè)組件創(chuàng)建一個(gè)基本的電流環(huán)路測(cè)試儀，它允許我們通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)電位器來(lái)手動(dòng)調(diào)整電流從4ma到20mA。該電路可以用作模擬程序或調(diào)試的虛擬傳感器。

組件的需求

?PNP晶體管(BC557)

?一個(gè)運(yùn)算放大器(使用JRC4558)

?300 k電阻

?1 k電阻

?50k 10轉(zhuǎn)電位器。

?100 pf 16 v

?0.1uF 16V - 2個(gè)

?100R電阻-公差5%

?LED(任意顏色)

?5V電源

?電路試驗(yàn)板

?連接電線

?測(cè)量電流的萬(wàn)用表

讓我們看一下這個(gè)項(xiàng)目中使用的重要組件。在下圖中，顯示了PNP晶體管BC557引腳輸出。

這是最常見(jiàn)的三引腳PNP晶體管之一。BC557是NPN BC547的同對(duì)。從左到右的引腳是發(fā)射極、基極和集電極。其他等效晶體管有BC556、BC327、2N3906等。

這里使用的運(yùn)算放大器(JRC4558)遵循與其他類型運(yùn)算放大器相同的引腳圖。引腳1、引腳2、引腳3用于單個(gè)運(yùn)算放大器，引腳5、6、7用于另一個(gè)通道。任何通道都可以用于這個(gè)項(xiàng)目。第8個(gè)引腳是正電源，第4個(gè)引腳是GND。本項(xiàng)目使用JRC4558D運(yùn)放，但其他運(yùn)放也可以工作。如：TL072、LM258、LM358等。

零件表中的第5個(gè)部件，50k 10匝電位器來(lái)自Bourns。零件號(hào)為3590S-2-503L。然而，這是一個(gè)有點(diǎn)昂貴的組件。10轉(zhuǎn)鍋是最好的用于此目的，但其他通用電位器也工作得很好。不同之處在于，普通電位器的分辨率會(huì)更低，因?yàn)殡娏髟吹脑黾踊驕p少不會(huì)是平滑的。在這個(gè)項(xiàng)目中，使用了伯恩斯電位器。與標(biāo)準(zhǔn)電位器引腳相比，波恩電位器的引腳有點(diǎn)令人困惑。在下圖中，從左邊開始的第一個(gè)銷釘是雨刷銷釘。在任何應(yīng)用中連接此電位器時(shí)都需要小心。

線路圖

4-20mA電流環(huán)路測(cè)試儀的完整電路圖如下所示。

正如你所看到的，電路非常簡(jiǎn)單，它由一個(gè)驅(qū)動(dòng)晶體管的運(yùn)算放大器組成。晶體管的輸出電流被饋送到LED，這個(gè)輸出電流可以通過(guò)改變電位器從0毫安到20毫安的變化，并且可以通過(guò)如上所示連接的安培計(jì)來(lái)測(cè)量。

這里的運(yùn)算放大器被設(shè)計(jì)為具有負(fù)反饋的電流源。輸入可變電壓通過(guò)電位器給予運(yùn)算放大器的非反相引腳。最大輸出電流(在本例中為20mA)通過(guò)使用連接到運(yùn)放反相引腳的電阻來(lái)設(shè)置?，F(xiàn)在，基于提供給非反相引腳的電壓，運(yùn)算放大器將偏置晶體管，使其通過(guò)LED產(chǎn)生恒定電流。無(wú)論負(fù)載電阻值作為電流源如何，都將保持恒定電流。這種類型的放大器被稱為跨導(dǎo)放大器。電路很簡(jiǎn)單，可以很容易地在面包板上構(gòu)建，如下圖所示。

4-20mA電流環(huán)路測(cè)試儀的工作原理

這里的LED充當(dāng)負(fù)載，電流環(huán)路為負(fù)載提供所需的電流。負(fù)載電流由BC557提供，BC557由運(yùn)算放大器4558直接控制。在放大器的正輸入端，電位器提供一個(gè)參考電壓。根據(jù)參考電壓，運(yùn)算放大器向晶體管基極提供偏置電流。附加的串聯(lián)電阻在電位器上添加，以限制參考電壓以及放大器的輸出，從而創(chuàng)建0mA到20mA的邊界。改變這個(gè)電阻值也改變最小到最大電流輸出邊界。

電路測(cè)試

一旦電路建成，用一個(gè)5v的穩(wěn)壓電源給它供電。我使用了面包板電源，類似于我們之前構(gòu)建的電源電路，如下所示。

注：300k電阻器，100k和200k串聯(lián)使用兩個(gè)電阻器。

為了測(cè)試電路，我使用了一個(gè)安培模式的萬(wàn)用表，并將其探頭連接在電路圖中所示的安培表的位置。如果您是新使用萬(wàn)用表的用戶，可以參考本萬(wàn)用表使用指南。當(dāng)我改變電位器時(shí)，可以注意到萬(wàn)用表上的電流值從4mA到20mA不等。完整的工作視頻可以在這個(gè)底部找到。

電流環(huán)路測(cè)試電路的應(yīng)用

4-20mA電流回路測(cè)試儀的主要應(yīng)用是測(cè)試或校準(zhǔn)接收4-20mA協(xié)議的PLC機(jī)器，并根據(jù)它提供數(shù)據(jù)。因此，錯(cuò)誤的校準(zhǔn)導(dǎo)致PLC感知到錯(cuò)誤值。不僅是校準(zhǔn)，而且也是一個(gè)方便的過(guò)程，以檢查電流回路的破壞。

4 ~ 20ma電流回路在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍十分廣泛。例如，水流，閥門位置，產(chǎn)油量以及生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的相關(guān)傳感器都使用4- 20ma通信線路。為了節(jié)省時(shí)間和金錢，調(diào)試和發(fā)現(xiàn)故障狀態(tài)是一項(xiàng)至關(guān)重要的工作。一個(gè)精確的4- 20ma電流環(huán)路測(cè)試儀是解決傳感器相關(guān)問(wèn)題的必要工具。

4-20mA電流環(huán)路測(cè)試儀的局限性

這種電路有一定的局限性。工業(yè)環(huán)境比實(shí)驗(yàn)室環(huán)境要惡劣得多。因此，電路應(yīng)包括各種保護(hù)電路，如短路保護(hù)和浪涌保護(hù)在所有的輸入和輸出，適合在工業(yè)環(huán)境中使用。

本文編譯自circuitdigest