集成化精密电流变送器的原理与应用

　　摘要：首先介绍了XTR系列集成电流变送器的产品分类及主要特点，然后阐述了XTR115的工作原理，最后介绍了XTR115及XTR101的典型应用。

　　关键词：电流变送器;电流环;应变桥;保护电路

　　引言

　　集成电流变送器亦称电流环电路，根据转换原理的不同可划分成以下两种类型：一种是电压/电流转换器，亦称电流环发生器，它能将输入电压转换成4～20mA的电流信号(典型产品有1B21，1B22，AD693，AD694，XTR101，XTR106和XTR115);另一种属于电流/电压转换器，也叫电流环接收器(典型产品为RCV420)。上述产品可满足不同用户的需要。

　　

 

　　XTR系列是美国BB(BURR-BROWN)公司生产的精密电流变送器，该公司现已并入TI公司。该系列产品包括XTR101，XTR105，XTR106，XTR110，XTR115和XTR116共6种型号。其特点是能完成电压/电流(或电流/电流)转换，适配各种传感器构成测试系统、工业过程控制系统、电子秤重仪等。

　　1 XTR系列产品的分类及性能特点

　　XTR系列精密电流变送器产品的分类及主要特点详见表1。

　　表1 XTR系列产品的分类及主要特点

　　产品

　　型号 满量程输入范围 激励源输出 输出电流Io/mA 环路电源Us/V 封装形式 主要特点

　　XTR101 10mV或50mV 两路1mA电

　　流源 4～20 11.6～40 DIP-14SOL-16 能将各种传感器产生的微弱电压信号转换成4～20mA的电流信号，适配应变桥、热电偶及铂热

　　电阻

　　XTR105 5mV～1V 两路0.8mA电流源 4～20 7.3～36 DIP-14 带2线制或3线制铂电阻接口，能实现温度/电流

　　转换

　　XTR106 满量程范围由电阻Rs来设定 2.5V及5V两路基准电压 4～20 7.5～36 DIP-14 带2.5V或5V激励源，适配应变桥

　　XTR110 0～5V或0～10V 10V基准电压 4～20或0～20或5～25 13.4～40 DIP-16 可选择输入电压范围和输出电流范围

　　XTR115 40～200μA 2.5V基准电压 4～20 7.5～36 SO-8 带2.5V激励源和+5V精密稳压器，可分别给应变桥和前置放大器单独供电，能简化电源设计

　　XTR116 40～200μA 4.096V基准电压 4～20 7.5～36 SO-8 带4.096V激励源和+5V精密稳压器，可分别给应变桥和前置放大器单独供电，能简化电源设计

　　2 XTR115型电流变送器的工作原理

　　2.1 性能特点

　　1)它属于二线制电流变送器，内部的2.5V基准电压可作为传感器的激励源。XTR115可将传感器产生的40～200μA弱电流信号放大100倍，获得4～20mA的标准输出。当环路电流接近32mA时能自动限流。如果在脚3与脚5之间并联一只电阻，就可以改变限流值。

　　2)芯片中增加了+5V精密稳压器，其输出电压精度为±0.05%，电压温度系数仅为20×10-6/℃，可给外部电路(例如前置放大器)单独供电，从而简化了外部电源的设计。

　　3)精度高，非线性误差小。转换精度可达±0.05%，非线性误差仅为±0.003%。

　　4)环路电源电压的允许范围宽，Us=7.5～36V。XTR115由环路电源供电。工作温度范围是-40℃～+85℃。

　　5)专门设计了功率管接口，适配外部NPN型功率晶体管，它与内部输出晶体管并联后可降低芯片的功耗。

　　

 

　　2.2 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。输出电流与输入电流、输入电压的关系由式(1)确定。

　　Io=100II=100UI/RI (1)

　　3 XTR系列产品的应用电路

　　3.1 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。

　　3.2 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。

　　3.3 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。