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集成化精密电流变送器的原理与应用

集成化精密电流变送器的原理与应用 2011： 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

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。(end)

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