集成化精密電流變送器的原理與應(yīng)用

關(guān)鍵詞：電流變送器；電流環(huán)；應(yīng)變橋；保護電路

引言

集成電流變送器亦稱電流環(huán)電路，根據(jù)轉(zhuǎn)換原理的不同可劃分成以下兩種類型：一種是電壓／電流轉(zhuǎn)換器，亦稱電流環(huán)發(fā)生器，它能將輸入電壓轉(zhuǎn)換成4～20mA的電流信號（典型產(chǎn)品有1B21，1B22，AD693，AD694，XTR101，XTR106和XTR115）；另一種屬于電流／電壓轉(zhuǎn)換器，也叫電流環(huán)接收器（典型產(chǎn)品為RCV420）。上述產(chǎn)品可滿足不同用戶的需要。

XTR系列是美國BB（BURR－BROWN）公司生產(chǎn)的精密電流變送器，該公司現(xiàn)已并入TI公司。該系列產(chǎn)品包括XTR101，XTR105，XTR106，XTR110，XTR115和XTR116共6種型號。其特點是能完成電壓／電流（或電流／電流）轉(zhuǎn)換，適配各種傳感器構(gòu)成測試系統(tǒng)、工業(yè)過程控制系統(tǒng)、電子秤重儀等。

1 XTR系列產(chǎn)品的分類及性能特點

XTR系列精密電流變送器產(chǎn)品的分類及主要特點詳見表1。

表1 XTR系列產(chǎn)品的分類及主要特點

2 XTR115型電流變送器的工作原理

2.1 性能特點

1）它屬于二線制電流變送器，內(nèi)部的2.5V基準電壓可作為傳感器的激勵源。XTR115可將傳感器產(chǎn)生的40～200μA弱電流信號放大100倍，獲得4～20mA的標準輸出。當環(huán)路電流接近32mA時能自動限流。如果在腳3與腳5之間并聯(lián)一只電阻，就可以改變限流值。

2）芯片中增加了＋5V精密穩(wěn)壓器，其輸出電壓精度為0.05％，電壓溫度系數(shù)僅為2010－6／℃，可給外部電路（例如前置放大器）單獨供電，從而簡化了外部電源的設(shè)計。

3）精度高，非線性誤差小。轉(zhuǎn)換精度可達0.05％，非線性誤差僅為0.003％。

4）環(huán)路電源電壓的允許范圍寬，Us=7.5～36V。XTR115由環(huán)路電源供電。工作溫度范圍是－40℃～＋85℃。

5）專門設(shè)計了功率管接口，適配外部NPN型功率晶體管，它與內(nèi)部輸出晶體管并聯(lián)后可降低芯片的功耗。

2.2 工作原理

XTR115采用SO－8小型化封裝，其內(nèi)部電路框圖及基本應(yīng)用電路如圖1所示。U＋為電源端，接環(huán)路電源。UREF為2.5V基準電壓輸出端。II端接輸入電流。IRET為基準電壓源輸出電流和穩(wěn)壓器輸出電流的返回端，可作為輸入電路的公共地。OUT為4～20mA電流輸出端。UREG為＋5V穩(wěn)壓器的輸出端。B和E端為外部功率管的接口，分別接功率管的基極（B）和發(fā)射極（E）。功率管的集電極（C）接U＋端。芯片內(nèi)部主要包括輸入放大器（A），電阻網(wǎng)絡(luò)，輸出晶體管（VT1），2.5V基準電壓源和＋5V穩(wěn)壓器。RLIM為內(nèi)部限流電阻。外圍元器件主要有輸入電阻（RI），功率管（VT2），環(huán)路電源（Us）和負載電阻（RL）。輸入電壓UI先經(jīng)過RI轉(zhuǎn)換成輸入電流II，再經(jīng)過XTR115放大后從OUT端輸出4～20mA的電流信號。為減小失調(diào)電壓以及輸入放大器的漂移量，要求UI>0.5V。輸出電流與輸入電流、輸入電壓的關(guān)系由式（1）確定。

Io=100II=100UI／RI （1）

3 XTR系列產(chǎn)品的應(yīng)用電路

3.1 應(yīng)變橋電流變送器

由XTR115構(gòu)成應(yīng)變橋電流變送器的電路如圖2所示。將腳3視為公共地，由腳1給應(yīng)變橋提供＋2.5V的電源電壓。前置放大器采用TL061型單運放（亦可采用OPA2277型雙運放，僅用其中的一個運放），由＋5V穩(wěn)壓器單獨給運放供電。RI為20kΩ輸入電阻，C為降噪電容，VT為外部NPN功率管，可選2N4922，TIP29C或TIP31B等型號。以2N4922為例，其主要參數(shù)為UCEO=60V，ICM=1A，PCM=30W。該電路的工作原理是當試件受力時，應(yīng)變橋輸出的電壓信號首先經(jīng)過前置放大器放大成0.8～4V的輸入電壓UI，再通過RI轉(zhuǎn)換成40～200μA的輸入電流II，最后經(jīng)XTR115放大100倍后獲得4～20mA的電流。

需要指出，XTR115只能配NPN功率管，不能配MOS場效應(yīng)功率管。外部功率管應(yīng)滿足XTR115對電壓、電流的要求，使用中還須給功率管裝上合適的散熱器。

3.2 保護電路的設(shè)計

保護電路應(yīng)兼有反向電壓保護與正向過壓保護兩種功能。XTR115的保護電路如圖3所示。反向電壓保護電路由二極管整流橋VD1～VD4組成，可防止因?qū)h(huán)路電源的極性接反而損壞芯片。整流二極管可選用1N4148型高速硅開關(guān)二極管，其主要參數(shù)為URM=75V，Id=150mA，trr=4ns。采用橋式保護電路之后就不用再考慮環(huán)路電源的極性，因為，無論Us的極性是否接反，它總能保證U＋端接得是正電壓。鑒于在任何時刻整流橋上總有兩只二極管導(dǎo)通，因此，在計算環(huán)路電壓ULOOP時須扣除兩只硅二極管的正向壓降（約為1.4V），由式（2）確定。

ULOOP=Us－IORL－1.4 （2）

過壓保護電路采用一只1N4753A型穩(wěn)壓管，其穩(wěn)定電壓為36V，穩(wěn)定電流為7.0mA。當環(huán)路電壓過高時就被鉗位到36V。實驗證明，即使環(huán)路電壓達到65V，XTR115也不會損壞。為了改善瞬態(tài)過壓保護特性，還可采用Motorola公司生產(chǎn)的P6KE39A型瞬態(tài)電壓抑制器（其英文縮寫為TVS，亦稱瞬變電壓抑制二極管）來代替穩(wěn)壓管。P6KE39A的鉗位電壓UB=39V，鉗位時間僅為1ns，其性能遠優(yōu)于齊納穩(wěn)壓管。

3.3 配J型熱電偶的電流變送器電路

由XTR101構(gòu)成帶冷端溫度補償功能的J型熱電偶輸入電路，如圖4所示。該電路可將溫度信號轉(zhuǎn)換成4～20mA的電流信號。Rs為滿量程（SPAN）設(shè)定電阻，其電阻值由式（3）確定。

Rs=40/[(ΔIo/U1)-0.016] （3）

式中：ΔIo=20mA－4mA=16mA。

例如，當UI=100mV時，由式（3）不難算出，Rs=278Ω。Rs的引線應(yīng)盡量短，以減小干擾。當Rs=∝時，UImax=1V。Rp為調(diào)零電位器，在0℃下調(diào)整Rp可使Io=4mA。冷端溫度補償電路由二極管VD1，分壓電阻R1和R2組成，R1及R2均采用精密金屬膜電阻。

J型熱電偶在－200℃～＋750℃測溫范圍內(nèi)的平均溫度系數(shù)αT=＋51.70μV／℃。硅二極管正向壓降的溫度系數(shù)αD≈－2.1mV/℃，經(jīng)過R1和R2分壓后

αD′=αD[R1/(R1+R2)]=－2.1[51/(210 3+51)]=－52μV／℃≈－αT

因為αD′與αT的大小相等而方向相反，二者又分別接到XTR101的負輸入端和正輸入端上，所以在室溫下二者能互相抵消，從而實現(xiàn)了冷端溫度（即環(huán)境溫度）補償，使溫差熱電勢僅僅與被測溫度有關(guān)（e=αTT），不受環(huán)境溫度變化的影響。XTR101能輸出兩路1mA激勵電流，分別接J型熱電偶和電阻分壓器。反向電壓保護電路由VD2組成，當Us接反時VD2截止，電源不通。正常工作時VD2導(dǎo)通，環(huán)路電壓ULOOP=Us－IORL－0.7V。