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(hào)（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。電流變送器可以直接將被測(cè)主回路交流電流或者直流電流轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出的DC4~20mA（通過(guò)250Ω 電阻轉(zhuǎn)換DC 1~5V或通過(guò)500Ω電阻 轉(zhuǎn)換DC2~10V）恒流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，連續(xù)輸送到接收裝置（計(jì)算機(jī)或顯示儀表）。
圖1 XTR115的內(nèi)部電路框圖及基本應(yīng)用電路
圖2 應(yīng)變橋電流變送器的電路
圖3 XTR115的保護(hù)電路
電流變送器的分類及概述
電流變送器分直流電流變送器和交流電流變送器兩種。交流電流變送器是一種能將被測(cè)交流電流轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出直流電壓或直流電流的儀器，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于電力、郵電、石油、煤炭、冶金、鐵道、市政等部門的電氣裝置、自動(dòng)控制以及調(diào)度系統(tǒng)。交流電流、電壓變送器具有單路、三路組合結(jié)構(gòu)形式，其特點(diǎn)為：
1、準(zhǔn)確度高（典型：0.2% 最好0.05%）。
2、整個(gè)量程范圍都有極高的線性度。
3、集成化程度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，優(yōu)良的溫度特性和長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性，使變送器免于定期校驗(yàn)。
直流電流變送器將被測(cè)信號(hào)變換成一電壓，經(jīng)HCNR200/201線性光耦直接變換成一個(gè)與被測(cè)信號(hào)成極好線性關(guān)系并且完全隔離的電壓，再經(jīng)恒壓（流）至輸出。具有原理非常簡(jiǎn)單，線路設(shè)計(jì)精煉，可靠性高，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。 霍爾電流變送器。
什么是電流變送器？
電流變送器可以直接將被測(cè)主回路交流電流轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出的DC4~20mA（通過(guò)250Ω 電阻轉(zhuǎn)換DC 1~5V或通過(guò)500Ω電阻 轉(zhuǎn)換DC2~10V）恒流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，連續(xù)輸送到接收裝置（計(jì)算機(jī)或顯示儀表）。 電流變送器原副邊高度絕緣隔離，兩線制輸出接線，輔助工作電源+24V與輸出信號(hào)線DC4~20mA共用，具有精度高，體積小、功耗小、頻響寬、抗干擾、國(guó)內(nèi)首創(chuàng)4種補(bǔ)償措施和6大全面保護(hù)功能，兩線端口防感應(yīng)雷能力強(qiáng)，具有雷擊波和突波的保護(hù)能力等優(yōu)點(diǎn)。特別適用發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、智能低壓配電柜、空調(diào)、風(fēng)機(jī)、路燈等負(fù)載電流的智能監(jiān)控系統(tǒng)； 電流變送器超低功耗，單只靜態(tài)時(shí)0.096W,滿量程功耗為0.48W,輸出電流內(nèi)部限制功耗為0.6W.
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(zhǔn)電壓輸出端。II端接輸入電流。IRET為基準(zhǔn)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(zhǔn)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(fù)載電阻（RL）。輸入電壓UI先經(jīng)過(guò)RI轉(zhuǎn)換成輸入電流II,再經(jīng)過(guò)XTR115放大后從OUT端輸出4~20mA的電流信號(hào)。為減小失調(diào)電壓以及輸入放大器的漂移量，要求UI>0.5V
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(yùn)放（亦可采用OPA2277型雙運(yùn)放，僅用其中的一個(gè)運(yùn)放），由+5V穩(wěn)壓器單獨(dú)給運(yùn)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(hào)。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(dāng)試件受力時(shí)，應(yīng)變橋輸出的電壓信號(hào)首先經(jīng)過(guò)前置放大器放大成0.8~4V的輸入電壓UI,再通過(guò)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(chǎng)效應(yīng)功率管。外部功率管應(yīng)滿足XTR115對(duì)電壓、電流的要求，使用中還須給功率管裝上合適的散熱器。
保護(hù)電路的設(shè)計(jì)
保護(hù)電路應(yīng)兼有反向電壓保護(hù)與正向過(guò)壓保護(hù)兩種功能。XTR115的保護(hù)電路如圖3所示。反向電壓保護(hù)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(hù)電路之后就不用再考慮環(huán)路電源的極性，因?yàn)?，無(wú)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(shí)刻整流橋上總有兩只二極管導(dǎo)通，因此，在計(jì)算環(huán)路電壓ULOOP時(shí)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(guò)壓保護(hù)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(dāng)環(huán)路電壓過(guò)高時(shí)就被鉗位到36V.實(shí)驗(yàn)證明，即使環(huán)路電壓達(dá)到65V,XTR115也不會(huì)損壞。為了改善瞬態(tài)過(guò)壓保護(hù)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(lái)代替穩(wěn)壓管。P6KE39A的鉗位電壓UB=39V,鉗位時(shí)間僅為1ns,其性能遠(yuǎn)優(yōu)于齊納穩(wěn)壓管
配J型熱電偶的電流變送器電路
圖4 帶冷端溫度補(bǔ)償?shù)腏型熱電偶輸入電路
由XTR101構(gòu)成帶冷端溫度補(bǔ)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(hào)轉(zhuǎn)換成4~20mA的電流信號(hào)。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(dāng)UI=100mV時(shí)，由式（3）不難算出，Rs=278Ω。Rs的引線應(yīng)盡量短，以減小干擾。當(dāng)Rs=∝時(shí)，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(bǔ)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(cè)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(guò)R1和R2分壓后
αD′=αD?[R1/（R1+R2）]=-2.1×[51/（2×10 3+51）]=-52μV/℃≈-αT
因?yàn)棣罝′與αT的大小相等而方向相反，二者又分別接到XTR101的負(fù)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(shí)現(xiàn)了冷端溫度（即環(huán)境溫度）補(bǔ)償，使溫差熱電勢(shì)僅僅與被測(cè)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(lì)電流，分別接J型熱電偶和電阻分壓器。反向電壓保護(hù)電路由VD2組成，當(dāng)Us接反時(shí)VD2截止，電源不通。正常工作時(shí)VD2導(dǎo)通，環(huán)路電壓ULOOP=Us-IORL-0.7V.
電流變送器技術(shù)參數(shù)：
●精度：優(yōu)于0.5% ;
●非線性失真：優(yōu)于0.5%;
●額定工作電壓Vcc:+24V±20% ,極限工作電壓：≤35V ;
●電源功耗：靜態(tài)4mA,動(dòng)態(tài)時(shí)相等于環(huán)路電流，內(nèi)部限制25mA+10%;
●額定輸入：5A……1KA（42個(gè)規(guī)格）；
●穿孔穿芯圓孔直徑：9、12、20、25、30mm;
●輸出形式：兩線制DC4~20mA;
●輸出電流溫漂系數(shù)：≤50ppm/℃；
●響應(yīng)時(shí)間：≤100mS;
●輸入/輸出絕緣隔離強(qiáng)度：AC3000V / 1min、1mA;
●輸出負(fù)載電阻：RLmax ≤ （Vcc-10V）/ 20mA
●輸入過(guò)載保護(hù)：30倍1min;
●輸出過(guò)流限制保護(hù)：內(nèi)部限制25mA+10%;
●兩線端口瞬態(tài)感應(yīng)雷與浪涌電流TVS抑制保護(hù)能力：TVS抑制沖擊電35A/20ms/1.5KW;
●兩線端口設(shè)置有+24V電源反接保護(hù)；
●輸出電流設(shè)置有長(zhǎng)時(shí)間短路保護(hù)限制；內(nèi)部限制25mA+10%.
