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2线制和3线制的4-20mA电流环传输电路简介

2024-03-04 15:52
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1)为什么使用4-20mA电流环

在远距离、复杂的工业现场,常常需把远距离之外的信号采集回来,通常需要考虑几个问题:

第一,如果直接将采集的电压信号通过长线传输,信号在传输线上会受到噪声干扰;

第二,超长的导线上会有不少压降,影响传输精度;

第三,如何为远端的采样电路提供电源,是个棘手的问题。


为了解决上述问题,我们可以使用电流来传输信号,4-20mA电流环就是应用于这一场景的标准。我们看看电流传输是如何解决上述问题的:

第一,如果传输电流信号,接收端的阻抗可以很小,所以噪声干扰不容易耦合进来;

第二,电流信号在整个环路上任何一个地方测量都是一样的,再长的线也不会有精度损失;

第三,使用电流传输,远端可以通过传输线上的电流取电,不用额外提供电源。


4-20mA电流环在结构上,一般由两部分组成,即变送器和接收器。变送器一般位于远端,直接获取现场的传感器信号;而接收器一般位于计算机端,用于采集、存储信号。

4mA表示零信号,20mA表示满量程信号,4~20mA就能表示出一个模拟量。之所以不采用0mA作为零信号,是因为如果传输线断开,那么接收端可能错误地认为变送器在一直发送零信号;另一方面,传输线上保持一直有电流,则使得变送器从信号线上取电成为可能,这就是2线制电流环的设计理论基础。


4-20mA电流环有两种类型:2线制、3线制,下面分别介绍一下它们的原理。


2)3线制电流环工作原理

先讲容易理解的3线制电流环。

如图所示,(图中箭头为电流方向,红色为4-20mA电流信号线)

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接收器和变送器之间有3根线,其中有两根是VCC和GND,用于接收器给变送器供电;还有一根就是用来传输4-20mA电流信号的。

变送器端通过VCC和GND获取电源,在采集了传感器信号后,将信号转为4-20mA的电流信号,传输回接收端,接收端用电阻采样即可。


3)2线制电流环工作原理

基本原理如下图所示:(图中箭头为电流方向,红色为4-20mA电流信号线)

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二线制4-20mA电流环,变送器和接收器之间只有两根线连接,这一对线既是信号传输线,也是接收端为远端变送器提供电源的供电线。

接收器提供VCC电源;变送器通过线上的电流获取电源,用于其内部的各电路工作,采集传感器信号、并将该信号用来控制线上的电流;接收器接收线上的电流信号并采样。

两线制的电流环由于变送器的电源取自于4-20mA的电流信号,所以,要求变送器在最低电流4mA时也要能够正常工作,一般还要求留有一定余量,设计为不大于3.5mA。

所以相对于3线制,2线制的优缺点都很明显,优点是能节省一根导线,缺点是设计复杂,需要从信号线上取电,而且整个电路工作的最大电流不能超过3.5mA。


4)变送器电路实例

变送器设计时,可以使用运放和电源芯片自行设计,也可以使用成熟的4-20mA专用芯片。

以专用芯片AM462为例,三线制的变送器端电路,可以如下设计:

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对外三个接线点为图右侧的Vs、IOUT、Ground,内部从VINP处输入待采集的信号。RL是接收器的采样电阻。


两线制的变送器端电路,可以如下设计:

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对外两个接线点为图右侧的Vs、IOUT,内部从VINP处输入待采集的信号。RL是接收器的采样电阻。

注意,图中的GND是变送器端的“地”,Ground是接收器端的“地”,二者的电位是不同的。两线制变送器端的GND点电位不是固定的,由于受采样电阻的影响,该点电位会随着电流大小而改变。


好了,本节4-20mA的一些基础知识就讲完了。

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