4-20mA电流环路系统废能利用

　　4-20mA电流环路信号常用于工业环境，实现远距测量数据传输，例如：加工温度或者容器压力等。这种信号传输方式之所以成为人们的首选，因为它简单便捷、抗噪、安全，并且可以在没有数据损坏的情况下实现远距离传输。由于传输数据的电流相对较低，这些电流环路还是低功耗系统。以前，没有获得利用的功率，或者信号传输过程中损失的功率，都在发送器内耗散掉；但现在，利用现代集成电路以后，即使这一小部分功率也被节省下来，以支持系统中必需功能的正常工作。

　　4-20mA 电流环路系统基础知识

　　图 1 显示了一个典型的 4-20mA 电流环路系统。一个半稳压式 24V DC 电源同时向电流环路和发送器组件供电。发送器对重要信号（例如：温度、压力和其他参数）进行测量，然后输出一个 2-20mA 电流，其与该信号强弱成比例。该电流通过线路，传输至某个接收机系统。之后，电流遇到电阻器形成电压，其通过一个模数转换器 （ADC） 读出，然后再经过进一步处理。通过连线，连接回到为环路供电的电压源，这样构成一个完整的环路。

　　图 1 基本的 4-20mA 电流环路系统

　　工业应用中使用这些电流环路具有诸多好处：

　　l 电流环路是一些简单电路，仅要求一个简易电源、一个完成测量然后产生电流的发送器、一条传输线以及一个接收机电路。电源只需提供足以克服各种系统压降问题的电压；多余的环路电压刚好在发送器处得到降低。由于电流较低，仅有少量功耗，因此发热较少。

　　l 电流环路仅包含一个电流环路。因此，根据基尔霍夫电流定律，通过环路中所有组件的电流相等。这样便实现了较高的抗噪性，而抗噪性又是工业环境应用的关键。

　　l 由于信号电平最低达到 4mA，从而实现了安全性。如果环路内部出现损坏，或者环路连接断开，则接收机无法读出电流，其表明出现故障，而非最低信号电平。

　　l 只要电源电压高到足以克服系统压降，则代表测得信号的理想电流由发送器维持。因此，高压降和低成本的小规格线材用于进行互连，其仅要求增加电源电压。最为重要的是，线路允许相对较大的压降，便可以使用大量的连线。这样，受测仪器和对测量数据进行处理的控制室之间便可实现物理隔离，从而为控制室内的人员提供安全保护。

　　基本系统改进

　　我们可以利用多余的环路电压，用于向接收机电路供电，否则其会在发送器被降下来。图 2 显示了一个在电流环路中插入的电源。该电源与其供电的接收机电路一起放置于控制室中——有效地将多余环路电压转换为有用输出功率。

　　图 2 4-20mA电流环路中多余环路电压的利用

　　由于接收机电阻不再接地参考，因此可能会需要电平移动电路，以连接数据转换器输入。任何高端分流监测器（例如：TI INA138等）都可提供这种极为简单的电路。这些器件对共模电压的小检测电阻压降进行测量，从而降低接收机电阻的必要压降。这样便让更多的电压可以为电源所利用，从而降低能源浪费。

　　这种电源通常会提供经过稳压的 3.3V 输出，以为电平位移器、数据转换器以及控制室内的所有其他低功耗设备供电。例如，来自 TI MSP430TM 平台的微处理器，其对接收数据进行检查，然后做出决策；来自 TI CC430 系列的低功耗 RF 器件，其将数据无线传输至其他地方。如果无需为特别长的电流环路购买和安接线路，从而实现成本节省，则无线发送器特别有用。这些器件的功耗必须非常低，因为榨取自电流环路的多余能源数量有限。

　　最后，这种电源还必须能与此类低功耗电源一起工作—最小电流 4mA，最大电流 20mA。由于这种电流所产生的电压为环路的多余电压，因此电源必须接受一个宽输入电压范围，并且仍然提供稳定的输出。对这种电源而言，更困难的是通过限流电源来启动系统。一般而言，启动期间要求更高的输出功率，对输出电容器充电，同时为负载提供启动电流。它远高于正常运行时系统消耗的量。如果电源要在启动期间提供这种高功率，则其输出功率会超出电流环路提供的量。如果出现这种情况，进入电源的电压会在电源关闭以前不断下降。这样，在重新开启以前，其输入电压会再次上升，并不断重复该过程。当电源通过这种小输入功率工作时，启动振荡是我们需要克服的一个难题。