4-20ma电流信号发生器

作者  信继华

二线制交流电流变送器的设计步骤

    已知大电流电流互感器均将不同的电流转换成0~5A 的交流电流进行现场显示。而进行远距离传送时，必须将该电流转换成标准直流电流信号4~20mA，才能进行传送。

    市场上此类交流电流变送器大都采用“四线制”的方法：即交流电源线二根，直流电流信号线二根。而我们设计的是“二线制交流电流变送器”则只采用二根电线：即在给变送器内的电路提供直流电源的同时，将根据0~5A 交流电流变化的变送输出标准直流电流信号4~20mA远传至控制室显示或进入计算机内处理后在显示器画面上显示。

    设计思路

1，选择低功耗元器件，在满足功能要求的前提下，尽量简化电路，满足二线制仪表的要求。

2，采取有效措施，提高系统的抗干扰能力，减小温度飘移。

3，完善系统保护措施，增加仪表的可靠性。

    一，互感器的选择

    电流互感器是一种交流电流/电流变换器，当初级流过交流电流时，次级线圈则对应其变比产生交流电流。再通过负载电阻转换成交流电压信号。

    合理选择互感器的变比十分重要。

    在选择变比之前，首先要确定通过互感器产生的负载电压是否满足变送电路需要的输入信号电压。通常我们将输入信号电压的最大值选择在2~3V/AC 左右。

    同时选择互感器负载电阻为标准系列电阻。选RL=1KΩ。（见图一）

 例如：输入信号电压选2.5V。

    I=V/R=2.5V/1000Ω=0.0025A=2.5mA

    已知:交流电流输入为0~5A，

    则变比为:   5A/0.0025A=2000

    即     1:2000

    所以,当电流互感器初级电流为0~5A 变化时,次级负载电阻两端的电压为0~2.5V。

    选择5A/2.5mA的互感器。

    如果要求输入信号电压的最大值选择在3V时，只需要将负载电阻选择为RL=1.2KΩ即可。

    V=I×R=0.0025A×1.2KΩ=3V

    仍然选择5A/2.5mA的互感器。

二，整流电路的选择 

如果输入的信号非常微弱时，需要首先对信号进行放大后再进行整流。为了简化电路，我们选择的输入信号电压幅度比较大，0~2.5V/AC。所以可以直接整流，而不必进行放大。

    如果直接利用常用的晶体二极管整流，二极管的正向电压降会造成小电流时不能正常输出，从而造成在互感器输入≤1A 电流时，变送器无法线性输出标准电流信号。原因是晶体二极管的正向电压降在0.5~0.7V 左右，当互感器输入电流≤1A 时，次级负载电阻两端的电压为≤0.5V，此时晶体二极管无法导通！

    我们利用运算放大器的反馈电路来实现理想二极管获得过零整流的特性，即微小信号的理想整流，从而获得高精度线性整流的特性。

    同时，为了简化电路，降低变送器的功耗，而采用了半波精密整流电路。（见图二）

图中的R2，R3，D1与N1 运算放大器组成正输出的理想二极管整流电路。D1 串接于运算放大器N1 的输出端，并且从D1 的阴极开始进行反馈。R2 是串联的输入电阻Ri，R3 是反馈电阻Rf。既然不需要进行放大，所以选择R3=R2。          通常选择通用运算放大器的输入阻抗为几十千欧姆，所以选择R2=R3=10KΩ~51KΩ均可，要求相对误差尽量小一点，否则输出的直流电压会产生误差。

    对于输入的负半周信号来讲，N1 是一个典型的反相放大器。此时的增益为

    A=（—Vi）×（—R3/R2）=Vi

    而对于输入的正半周信号来讲，N1 的输出则变成负值

    A=Vi×（—R3/R2）=—Vi

此时D1 被反相偏置而截止，输入信号Vi 则通过R2，R3串联电路直接输出至后一级电路。

二线制交流电流变送器的设计步骤(二)

低通滤波器电路的选择

为了保证直流信号的有效传送，彻底滤除掉工频信号以及各种杂波噪声对变送器的影响，选用低通滤波器来完成此项任务。同时为了取得平坦的滤波效果，采用2db/oct 巴特沃次（最平坦特性）滤波器电路。

    而滤波电路的Q 值必须≥0.707才能获得最平坦特性。

        Q=[√(C1/C2)]/2= ≥0.707

    为了使Q=≥0.707左右，C1，C2必须建立的关系为

        C1=4Q平方×C2=2C2

    同时电路必须满足以下关系

        Ro=R2=R3

        Co=1/(2π×fL×Ro)

        C1=1.4Co

        C2=0.7Co

        fL=1/(2π×Co×Ro)

    式中    Ro    输出等效电阻

            Co    输出等效电容

            fL     低通截止频率

            2π   2×3.14

    根据以上公式，首先确定低通滤波器的截止频率。

    为了有效的滤除工频信号（50Hz）和外界杂波干扰频率信号，保证直流有用信号的顺利传输，合理的选择低通滤波器的截止频率至关重要。

    通常考虑截止频率为工频的1/10~1/20以下，这里选择≤2~5Hz。即只允许低于2~5Hz以下的交流及直流信号通过，高于2~5Hz以上的所有信号必须彻底隔断阻止通过。

    根据公式   fL=1/(2π×Co×Ro)

    选择   fL=（2~5）Hz

           Ro=R2=R3=51KΩ

           Co=1/(2π×fL×Ro)

             =1/(6.28×（2~5）×51000)

             =(0.624~1.56)μF

           C1=1.4Co=(0.847~2.184) μF

           C2=0.7Co=(0.437~1.092) μF

     由于电容器的规格容量标称值有一定的，这里选择容量接近的标称容量的电容器进行配组：

    第一组：C1=0.847μF    选1μF

            C2=0.437μF    选0.47μF 

    第二组：C1=2.184μF    选2.2μF

            C2=1.092μF    选1μF 

    验证：

    第一组：Co=C1/1.4=0.714μF

            Co=C2/0.7=0.671μF

    第二组：Co=C1/1.4=1.571μF

            Co=C2/0.7=1.429μF 

    根据Co=1/(2π×fL×Ro)

             =1/(6.28×（2~5）×51000)

             =(0.624~1.56)μF

    在截止频率为2~5Hz范围内，Co=(0.624~1.56)μF 时，

    第一组按最高截止频率计算，取Co=0.671μF 

    第二组按最低截止频率计算，取Co=1.571μF 

    验证：根据公式   fL=1/(2π×Co×Ro) 

    第一组：fL=1/(2π×Co×Ro) 

              =1/(6.28×0.671×51000×10负6次方) 

              =4.653Hz 

    第二组：fL=1/(2π×Co×Ro) 

              =1/(6.28×1.571×51000×10负6次方) 

              =1.987Hz 

    基本满足设计要求的（2~5）Hz 范围。具体电路见（图三）。

再验证体通滤波器的Q值是否满足要求：

    第一组：

        Q=[√(C1/C2)]/2=[√(1/0.47)]/2=[√2.128]/2=0.7296

    第二组：

        Q=[√(C1/C2)]/2=[√(2.2/1)]/2=[√2.2]/2=0.7416

        均≥0.707，可以认为成立。

二线制交流电流变送器的设计步骤(三)

低通滤波器电路元件配型对应的截止频率表

四，基准电压产生与加法器电路的选择

    为了保证在零信号输入时，使输出信号为标准电流信号的零位基准4mA，必须在加法器电路的输入端提供系统输出电流信号的零点调节电压。同时要求该电压必须稳定可靠，避免温度影响而引起的漂移现象。

    基准电压电路采用TL431组成2.5V的基准电压。

    为了减小温度漂移现象，采用LM334组成恒流源给TL431提供偏置电流。

    考虑二线制仪表的静态电流要求，4mA 的零点电流中，全部电路的静态电流考虑留出1mA左右的零点调节范围，全部电路的静态电流不能超过3mA 。由于运算放大器准备选用LM124四运放，LM124的静态电流约为1.7mA 左右。所以，选择基准电压电路TL431的偏置电流为1.3mA左右 。

根据公式   Rset=（67.7×10负3次方）/I

                  =（67.7×10负3次方）/(1.3×10负3次方）

                  =52Ω

    选标称电阻值51Ω。

    验证：    I=（67.7×10负3次方）/ Rset

               =（67.7×10负3次方）/ 51Ω

               =0.00133A=1.33 mA

    基本满足设计要求。

基准电压产生与加法器电路见（图四）。

     加法器电路是一个典型的反相加法放大器，输出电压Eo可以有以下公式表示：

    Eo=-[Vi1(RF/Rf1)+Vi2(RF/Ri2)]

式中    Eo    输出电压

        Vi1   前级来的信号电压（+0~2.5V）

        Vi2   系统零点基准调节电压（+0~2.5V）

        RF   加法器反馈电阻（3KΩ）

        Rf1   前级信号输入电阻（3KΩ+0~10KΩ）

        Rf2   基准调节电压信号的输入电阻（51KΩ）

由于后一级电路要求，反相加法放大器是一个衰减式的加法电路。所以

     Eo=-[Vi1(RF/Rf1)+Vi2(RF/Ri2)]

       =-[Vi1(0.23~1)+Vi2(0.0588)]

       =-[0~2.5(0.23~1)+0~2.5(0.0588)]

       =-[0~(0.575~2.5)+(0~0.147)] (V)

    在试验应用调试时，当没有交流电流输入时，调整系统零点调节电位器（0~100KΩ）使输出电压为-0.042V；此时零点电位器的调节输出电压在0.7V左右。当输入交流电流为5A 时，调整输入电位器（也称量程调整电位器）使输出电压为-0.867V即可。

    当然这里只是引导大家分步骤分析了解电路的设计步骤时所采用的方法。而在系统实际应用调试时，则利用监测输出的标准电流信号来调节零点和量程电位器。

    运算放大器的反馈电阻两端并联的电容器构成简单的一阶低通滤波器，进一步抵消干扰噪波信号。这里就不啰嗦太多了。

二线制交流电流变送器的设计步骤(五)

五，电压/电流转换电路的选择

由运算放大器组成恒流输出电路，晶体三极管进行扩流，晶体管发射极的电阻组成电流敏感电路，在电阻两端产生反馈电压。由于该级的增益确定为1，所以，RF=Rf=10KΩ。此时电阻两端的电压严格跟踪输入电压，只是极性相反，即Vro=-Vi 。

已知前级输出电压为-0.042V~-0.867V ,所以要求流过51Ω电阻的电流为

Io=V/R=(0.042~0.867)/51=0.82~17mA 。

加上系统电路元件的静态电流3 mA ，系统电流为

0.82~17+3=3.82~20mA 

适当调整零点和量程电位器，使得系统电流在输入0~5A/AC 时，输出电流为4~20mA /DC 即可。

由于本电路的负载是长电缆，为了避免电路产生振荡，在运放的反馈端（即反相输入端与输出端之间）增加了防止寄生振荡的电容器（0.1μF）。

具体电路见（图五）。

六，辅助电源的选择

    为了满足运算放大器工作时处理负电压信号，必须给系统提供相应的正，负工作电压。所以在系统共用端与电源负极回路串联一只发光二极管，利用发光二极管工作是产生的电压降作为运算放大器的负电源。同时将运算放大器的负电源端与发光二极管的阴极接通，从而提高了系统共用端的电位，相映对于系统共用端来讲，运算放大器得到了正，负工作电源。

    发光二极管的正向压降：红色1.5V 左右；绿色1.7V 左右；黄色1.9V 左右。

    同时，发光二极管兼任变送器的工作状态指示灯。

七，电源极性保护电路

        在系统回路中串联一只二极管就构成了电源极性保护电路。

    当电源极性正确是，发光二极管发光，证明电源极性正确；而电源极性接反时，二极管截止，没有电流通过变送器系统，发光二极管则不会发光。

    同时，变送器正常工作时，还可以根据发光二极管的亮度变化情况，判断工作电流的大小。

二线制交流电流变送器的设计步骤(七)

元件装配示意图：

装配完成图：

外形图：

试验报告

二线制交流电流变送器说明书

概述

二线制交流电流变送器是一种能将被测交流电流按线性比例输出直流标准电流的新型仪表。配以相应的指示仪表或直接输送到DCS系统，实现交流电流的测量和控制。

主要特点：

1，  二线制仪表现场不需要工作电源，利用指示仪表或DCS系统提供电源。

2，  输入与输出完全隔离。

3，  输出信号采用极性保护措施，极性正确时，指示灯亮，仪表工作；极性错误时，指示灯灭，仪表不工作。

4，  仪表本身无发热源，彻底解决了高温环境下普通变送器因内部发热而引发输出信号丢失的普遍现象。

主要技术参数

输入信号：        0~5A  AC

输出信号：        4~20mA  DC  （二线制传输）

输出负载电阻：    0~500Ω

精度：            0.5%

温度系数:         ≤150ppm/℃

工作温度:         -10℃~+70℃

隔离：           输入与输出隔离

绝缘电阻：        ＞200MΩ（500 V DC）

绝缘强度：        ＞1000V/1分钟

供电电源：        15~36V  DC

                 15V  RL=0~250Ω

                 24V  RL=0~500Ω（标准配置）

                 30V  RL=0~750Ω

                 36V  RL=0~1KΩ

应用接线：

IN 0~5A AC                                         OUT  4~20 mA  DC

¤：指示灯                     +               RL

①：零点调节                     24V DC

②：满度调节 

外形尺寸（mm）:

100×25×45mm

结束语