集成化精密電流變送器的原理與應用

摘要：首先介紹了XTR系列集成電流變送器的產品分類及主要特點，然后闡述了XTR115的工作原理，最后介紹了XTR115及XTR101的典型應用。
關鍵詞：電流變送器；電流環；應變橋；保護電路
引言
集成電流變送器亦稱電流環電路，根據轉換原理的不同可劃分成以下兩種類型：一種是電壓／電流轉換器，亦稱電流環發生器，它能將輸入電壓轉換成4～20mA的電流信號（典型產品有1B21，1B22，AD693，AD694，XTR101，XTR106和XTR115）；另一種屬于電流／電壓轉換器，也叫電流環接收器（典型產品為RCV420）。上述產品可滿足不同用戶的需要。

XTR系列是美國BB（BURR－BROWN）公司生產的精密電流變送器，該公司現已并入TI公司。該系列產品包括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）轉換，適配各種傳感器構成測試系統、工業過程控制系統、電子秤重儀等。
1 XTR系列產品的分類及性能特點
XTR系列精密電流變送器產品的分類及主要特點詳見表1。


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可將傳感器產生的40～200μA弱電流信號放大100倍，獲得4～20mA的標準輸出。當環路電流接近32mA時能自動限流。如果在腳3與腳5之間并聯一只電阻，就可以改變限流值。
2）芯片中增加了＋5V精密穩壓器，其輸出電壓精度為±0.05％，電壓溫度系數僅為20×10－6／℃，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計。
3）精度高，非線性誤差小。轉換精度可達±0.05％，非線性誤差僅為±0.003％。
4）環路電源電壓的允許范圍寬，Us=7.5～36V。XTR115由環路電源供電。工作溫度范圍是－40℃～＋85℃。
5）專門設計了功率管接口，適配外部NPN型功率晶體管，它與內部輸出晶體管并聯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，其內部電路框圖及基本應用電路如圖1所示。U＋為電源端，接環路電源。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）和發射極（E）。功率管的集電極（C）接U＋端。芯片內部主要包括輸入放大器（A），電阻網絡，輸出晶體管（VT1），2.5V基準電壓源和＋5V穩壓器。RLIM為內部限流電阻。外圍元器件主要有輸入電阻（RI），功率管（VT2），環路電源（Us）和負載電阻（RL）。輸入電壓UI先經過RI轉換成輸入電流II，再經過XTR115放大后從OUT端輸出4～20mA的電流信號。為減小失調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、輸入電壓的關系由式（1）確定。
Io=100II=100UI／RI（1）
3 XTR系列產品的應用電路
3.1 應變橋電流變送器
由XTR115構成應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，其主要參數為UCEO=60V，ICM=1A，PCM=30W。該電路的工作原理是當試件受力時，應變橋輸出的電壓信號首先經過前置放大器放大成0.8～4V的輸入電壓UI，再通過RI轉換成40～200μA的輸入電流II，最后經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場效應功率管。外部功率管應滿足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 保護電路的設計
保護電路應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，可防止因將環路電源的極性接反而損壞芯片。整流二極管可選用1N4148型高速硅開關二極管，其主要參數為URM=75V，Id=150mA，trr=4ns。采用橋式保護電路之后就不用再考慮環路電源的極性，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通，因此，在計算環路電壓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型穩壓管，其穩定電壓為36V，穩定電流為7.0mA。當環路電壓過高時就被鉗位到36V。實驗證明，即使環路電壓達到65V，XTR115也不會損壞。為了改善瞬態過壓保護特性，還可采用Motorola公司生產的P6KE39A型瞬態電壓抑制器（其英文縮寫為TVS，亦稱瞬變電壓抑制二極管）來代替穩壓管。P6KE39A的鉗位電壓UB=39V，鉗位時間僅為1ns，其性能遠優于齊納穩壓管。
3.3 配J型熱電偶的電流變送器電路

由XTR101構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換成4～20mA的電流信號。Rs為滿量程（SPAN）設定電阻，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的引線應盡量短，以減小干擾。當Rs=∝時，UImax=1V。Rp為調零電位器，在0℃下調整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℃測溫范圍內的平均溫度系數αT=＋51.70μV／℃。硅二極管正向壓降的溫度系數αD≈－2.1mV/℃，經過R1和R2分壓后
αD′=αD·[R1/（R1+R2）]=－2.1×[51/（2×10 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，從而實現了冷端溫度（即環境溫度）補償，使溫差熱電勢僅僅與被測溫度有關（e=αTT），不受環境溫度變化的影響。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導通，環路電壓ULOOP=Us－IORL－0.7V。