电流变送器的工作原理与电路分析

有关电流变送器的工作原理与电路，包括电压信号调理电路、V- I 转换电路、扩流电路、保护电路等的原理与图示，电路变送器主要由电压信号调理、V- I 变换、功率输出和隔离等电路构成。

电流变送器工作原理与电路

电路变送器主要由电压信号调理、V- I 变换、功率输出和隔离等电路构成。

1、电压信号调理电路

对于被变送对象是模拟信号时，信号调理电路的作用是信号放大或衰减；对于被变送对象是数字信号时，信号调理电路的作用是D/A 转换。

在模拟电路中，如要将电桥、压力传感器、热电偶等输出信号变换，可以使用差分放大电路、仪表放大器等放大，例如测量PT100 的电路，如图1。

图1 PT100 的测量电路

对于数字量输出传感器或设备，那只有采用D/A 转换技术了，包括使用DAC 和PWM,如图2 所示。

图2 DAC 和PWM 电路框图。

使用DAC 设计要考虑DAC 位数（分辨率）、线性度和参考电压的温漂，例如设计0.5%的变送器至少需要10 位的ADC,线性度小于2LBS.

使用PWM方式要考虑PWM的位数，因为PWM方式要加一个低通滤波器才能得到平直的直流电压信号，所以低通滤波器的响应速度、线性度都要考虑。

两者相比来说，PWM方式比DAC 方式有成本优势，故在廉价的变送器，响应速度要求不高情况下，PWM方式是不错的选择。

2、V- I 转换电路

典型的V- I 转换电路，如图3 所示。

图3典型V- I 转换电路。

V- I 转换电路也叫恒流源电路。先简单分析一下其原理：

由于运放虚短虚断特性可知，V2 等于Vin,流过RL 的电流（Iout ）等于流过R1 的电流。很容易得到：

可见，负载电流Iout 与负载无关，只要R1 不变，负载电流Iout跟输入电压Vin成正比。

在实际使用中，R1 要选取高精度低温漂的电阻。

3、扩流电路

由于在实际应用中运放的输出能力有限制，一般都很小，不宜直接驱动负载，因此要用扩流电路，如图4 所示。

图4 扩流电路。

注意，V- I 转换电路的负载并不能任意取值的，只能在允许范围内取值，这就是V- I 转换电路的带负载能力。以图4为例，假如电路的负载电流（流过RL 的电流）为20mA 时，输入电压为2.5V,运放LM358 最大输出电压为12V- 1.5V=10.5V,Q1 的Vbe=0.7V,那么RL 两端电压最大为10.5- 0.7- 2.5=7.3V,最大RL=7.3V/20mA=365 欧。这就意味当RL 大于365 欧，且输入电压为2.5V 时，将无法再输出20mA。

三极管Q1 的耗散功率也需要考虑在内。当RL=0 时，Q1的耗散功率最大为（12V- 2.5V）*0.02A=0.19W.因此要选用功率大于0.2W的三极管。

4、保护电路

电源接反、超压、浪涌是工业上常见的电源问题。电源接反是设备安装接线时最容易发生的错误，输入口串联一只二极管即可防止接反电源时损坏电路。

如果输入端加一个全桥整流器，那么即使电源接反仍能正常工作。

为防止雷击、静电放电、浪涌等能量损坏变送器，变送器入口处可以加装一只TVS 管来吸收瞬间过压的能量。一般TVS 电压值取比运放极限电压略低，才能起到保护作用。

如果可能遭受雷击，TVS 可能吸收容量不够，压敏电阻也是必需的，但是压敏电阻本身漏电会带来一定误差，如图5 所示。

图6 电源保护电路结构。