工作原理 - 电流变送器分类,原理及应用选择指导

　　工作原理

　　XTR115采用SO-8小型化封装，其内部电路框图及基本应用电路如图1所示。U+为电源端，接环路电源。UREF为2.5V基准电压输出端。II端接输入电流。IRET为基准电压源输出电流和稳压器输出电流的返回端，可作为输入电路的公共地。OUT为4~20mA电流输出端。UREG为+5V稳压器的输出端。B和E端为外部功率管的接口，分别接功率管的基极（B）和发射极（E）。功率管的集电极（C）接U+端。芯片内部主要包括输入放大器（A），电阻网络，输出晶体管（VT1），2.5V基准电压源和+5V稳压器。RLIM为内部限流电阻。外围元器件主要有输入电阻（RI），功率管（VT2），环路电源（Us）和负载电阻（RL）。输入电压UI先经过RI转换成输入电流II，再经过XTR115放大后从OUT端输出4~20mA的电流信号。为减小失调电压以及输入放大器的漂移量，要求UI》0.5V

　　

　　应变桥电流变送器

　　由XTR115构成应变桥电流变送器的电路如图2所示。将脚3视为公共地，由脚1给应变桥提供+2.5V的电源电压。前置放大器采用TL061型单运放（亦可采用OPA2277型双运放，仅用其中的一个运放），由+5V稳压器单独给运放供电。RI为20kΩ输入电阻，C为降噪电容，VT为外部NPN功率管，可选2N4922，TIP29C或TIP31B等型号。以2N4922为例，其主要参数为UCEO=60V，ICM=1A，PCM=30W.该电路的工作原理是当试件受力时，应变桥输出的电压信号首先经过前置放大器放大成0.8~4V的输入电压UI，再通过RI转换成40~200μA的输入电流II，最后经XTR115放大100倍后获得4~20mA的电流。

　　需要指出，XTR115只能配NPN功率管，不能配MOS场效应功率管。外部功率管应满足XTR115对电压、电流的要求，使用中还须给功率管装上合适的散热器。

　

　　保护电路的设计

　　保护电路应兼有反向电压保护与正向过压保护两种功能。XTR115的保护电路如图3所示。反向电压保护电路由二极管整流桥VD1~VD4组成，可防止因将环路电源的极性接反而损坏芯片。整流二极管可选用1N4148型高速硅开关二极管，其主要参数为URM=75V，Id=150mA，trr=4ns.采用桥式保护电路之后就不用再考虑环路电源的极性，因为，无论Us的极性是否接反，它总能保证U+端接得是正电压。鉴于在任何时刻整流桥上总有两只二极管导通，因此，在计算环路电压ULOOP时须扣除两只硅二极管的正向压降（约为1.4V），由式（2）确定。

　　ULOOP=Us-IORL-1.4（2）

　　过压保护电路采用一只1N4753A型稳压管，其稳定电压为36V，稳定电流为7.0mA.当环路电压过高时就被钳位到36V.实验证明，即使环路电压达到65V，XTR115也不会损坏。为了改善瞬态过压保护特性，还可采用Motorola公司生产的P6KE39A型瞬态电压抑制器（其英文缩写为TVS，亦称瞬变电压抑制二极管）来代替稳压管。P6KE39A的钳位电压UB=39V，钳位时间仅为1ns，其性能远优于齐纳稳压管

　　配J型热电偶的电流变送器电路

　　

　　由XTR101构成带冷端温度补偿功能的J型热电偶输入电路，如图4所示。该电路可将温度信号转换成4~20mA的电流信号。Rs为满量程（SPAN）设定电阻，其电阻值由式（3）确定。

　　Rs=40/［（ΔIo/U1）-0.016］（3）

　　式中：ΔIo=20mA-4mA=16mA.

　　例如，当UI=100mV时，由式（3）不难算出，Rs=278Ω。Rs的引线应尽量短，以减小干扰。当Rs=∝时，UImax=1V.Rp为调零电位器，在0℃下调整Rp可使Io=4mA.冷端温度补偿电路由二极管VD1，分压电阻R1和R2组成，R1及R2均采用精密金属膜电阻。

　　J型热电偶在-200℃~+750℃测温范围内的平均温度系数αT=+51.70μV/℃。硅二极管正向压降的温度系数αD≈-2.1mV/℃，经过R1和R2分压后

　　αD′=αD？［R1/（R1+R2）］=-2.1×［51/（2×10 3+51）］=-52μV/℃≈-αT

　　因为αD′与αT的大小相等而方向相反，二者又分别接到XTR101的负输入端和正输入端上，所以在室温下二者能互相抵消，从而实现了冷端温度（即环境温度）补偿，使温差热电势仅仅与被测温度有关（e=αTT），不受环境温度变化的影响。XTR101能输出两路1mA激励电流，分别接J型热电偶和电阻分压器。反向电压保护电路由VD2组成，当Us接反时VD2截止，电源不通。正常工作时VD2导通，环路电压ULOOP=Us-IORL-0.7V.

　　电流变送器技术参数：

　　●精度：优于0.5% ;

　　●非线性失真：优于0.5%;

　　●额定工作电压Vcc：+24V±20% ，极限工作电压：≤35V ;

　　●电源功耗：静态4mA，动态时相等于环路电流，内部限制25mA+10%;

　　●额定输入：5A……1KA（42个规格）；

　　●穿孔穿芯圆孔直径：9、12、20、25、30mm;

　　●输出形式：两线制DC4~20mA;

　　●输出电流温漂系数：≤50ppm/℃；

　　●响应时间：≤100mS;

　　●输入/输出绝缘隔离强度：AC3000V / 1min、1mA;

　　●输出负载电阻：RLmax ≤ （Vcc-10V）/ 20mA

　　●输入过载保护：30倍1min;

　　●输出过流限制保护：内部限制25mA+10%;

　　●两线端口瞬态感应雷与浪涌电流TVS抑制保护能力：TVS抑制冲击电35A/20ms/1.5KW;

　　●两线端口设置有+24V电源反接保护；

　　●输出电流设置有长时间短路保护限制；内部限制25mA+10%.

　　应用场合

　　了解电流变送器的技术原理，对于客户依据自身产品设计，有积极的指导作用。

　　霍尔原理

　　霍尔原理有闭环霍尔和开环霍尔之分，详细原理网站上有很多文章可供参考。采用霍尔原理的变送器可以实现交直流通用。

　　电磁隔离原理

　　电磁隔离原里实际上就是互感器原里，虽然是很通用的原理，但是在实际应用中也是最可靠的原理，只是由于只能采集交流电流，所以应用有局限性。

　　磁调制原理

　　磁调制原理有多种形式，但是由于受成本的压力，通常的磁调制原理在实际应用场合主要用来检测直流电流。

　　光耦隔离原理

　　主要用来检测小电流，输入电流通过电阻光耦隔离原理采样变成电压，然后通过光耦隔离实现电气绝缘，实际应用场合要注意电气绝缘等级。

　　选型指导：

　　

　　

　

　　

　　

　　如果电流是直流电流，上述交流型号修改- 一个字母即可，例如：

　　交流电流变送器TA1A5C420V4

　　直流电流变送器TA1D5C420V4