一例V-I转换电路的分析

变频器的输出端子电路中，当这样一种输出类型：输出为模拟电压或模拟电流，输出内容和输出方式可由参数进行设置，称为可编程模拟量输出端子。通常可设置内容有：输出电流、输出频率、设定频率、输出电压等，输出方式有0~10V或0~20mA，或4~20mA（由JP2端子选择）。当设置为输出频率，输出方式为0~10V时，可外接10V量程的指针表，用于监控变频器输出频率值。实例电路如图1所示。

图1 变频器模拟输出端子电路实例

工作原理简述如下：

用户需要电压或电流信号输出，可由JP2端子进行选择，当JP2端子短接时，为0~10V电压信号输出；JP2端子开路时，为0/4~20mA电流信号输出。从变频器CPU主板上，MCU器件的PWM引脚输出的PWM（脉冲占空比可变）脉冲，经R、C滤波电路处理为0~3.5V的直流电压信号。如需4~20mA的电流信号输出，改变PWM脉冲占空比，可在N1放大器输入端10脚，产生0.7V~3.5V的信号电压范围。对N1和Q1、R3（负载电阻）而言，N1、Q1、R3构成电压跟随器电路，R3的电压值即为输入电压值，变化范围也为0~3.5V。如将R2看作负载电阻，从R2取得输出电压的话，则N1、Q1、R2构成反相器电路，R2与R3取值相等，可以将R2看作是R3的“镜像元件”——当两元件取值相等时，外于同一电流支路的两元件的电压降也是相等的。因而输入电压信号在R2上也形成了0~3.5V的电压降，从Q1的集电极可得到15~11.5V的电压输出。

运算电路N2、晶体管Q2、电阻R4等元件构成了恒流源（输出）电路。电路控制执行的结果，是使N2的反相端电压等于N2的同相端电压值。因而标准电阻R4的电压降在N2控制下，总是趋于与R2的电压降相等，相当于将R2“身上” 的电压降“搬到了”R4的“身上”。R4两端0~3.5V的电压降变化，说明流过R4的电流恰恰是0~20mA，这用欧姆定律就可以计算出，通过R4的取值，也确定输出电流范围的大小。

我们先看电压输出/电流输出选择插排JP2短接时的情况：JP2短接时，相当于电路输出端子M1与电源地之间，外接的负载电阻为500Ω，R5与R4流过的当然是同一电流（0~20mA），也可由欧姆定律算出，在M1端子输出的电压信号变化范围恰恰为0~10V。

但本文的重点在V-I变换，将图1电路“进化”为更为规整一点的图2电路，即JP2选择插排开路时的V-I转换特性。

图2  0~5V/0~20mA转换电路

图2电路是一个将0~5V输入电压信号转换成0~20mA电流信号输出的电路，1）先由“镜像电阻”R2上取得电压变化信号；2）再将R2上的电压降“照搬”到R4身上，根据R4的电压降对R4进行取值，以确定输出电流信号范围（补充一点，因N2的电压跟踪放大作用，无论R4取值多大，R4两端的电压降总是等于R2的电压降）；3）任务已经完成了，我们知道，在0~5V输入信号作用下，流过电阻R4的电流恰恰是0~20mA，并且不受负载电阻RL阻值变化和大小的影响，RL的阻值在0~500Ω（当然信号源内阻不可能为0Ω）以内时，输出电流值能跟踪0~5V输入电压信号，并恒定不变。

当输入电压信号为3V时，R2、R3、R4两端的电压降都是3V，流过R4的（输出）电流为12mA。当负载电阻RL变小时→输出电流信号↑→R4的电压降↑→N2的13脚电压↓→N2两输入端的差分电压值↑→N2输出电压↑→晶体管Q2基极偏压↓→Q2的导通电阻变大→输出电流信号↓，由于N2电压比较和Q2调节的结果，使输出电流趋于恒定。反之，当RL电阻变大，使输出电流变小时，在N2控制作用下，Q2导通变强，仍会使R4两端的电压降等于R2两端的电压降，使输出电流回到恒定值。N2将R2、R4的电压降（输入）信号进行比较，并“努力”使之相等，使流过R4的电流维持恒定值。

利用晶体管Q1、Q2的导通电阻变化，起到电压/电流调节作用，甚至不需要去关注Q1、Q2的工作点，只需完成R2、R3、R4等3只电阻的取值，电路设计任务即告完成——会欧姆定律就能计算电路参数。由此得到启发：可以用图2的基本电路形式，完成任意范围的V-I转换任务，你我都能愉快胜任。

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