4-20mA电流环路测试仪，使用运放作为电压电流转换器

传感器是任何测量系统不可或缺的一部分，因为它们有助于将现实世界的参数转换为机器可以理解的电子信号。在工业环境中，常用的传感器类型是模拟传感器和数字传感器。数字传感器与USART， I2C， SPI等协议下的0和1通信。模拟传感器可以通过可变电流或可变电压进行通信。我们中的许多人应该熟悉输出可变电压的传感器，如LDR， MQ气体传感器，Flex传感器等。这些模拟电压传感器与电压电流转换器耦合，将模拟电压转换成模拟电流，成为可变电流传感器。

该可变电流传感器遵循4-20mA协议，这意味着当测量值为0时，传感器将输出4mA，当测量值为最大值时，传感器将输出20mA。如果传感器输出小于4mA或大于20mA，则可以假定为故障状态。传感器通过双绞线输出电流，允许电源和数据仅通过2根线。最低或“零”值为4mA。这是因为当输出为零或4mA时，它仍然可以为设备供电。此外，由于信号以电流形式传输，因此可以发送到长距离，而无需担心由于导线电阻或噪声抗扰性而导致的电压下降。

在工业中，传感器的校准是一个常规过程，为了校准系统并排除错误结果，需要执行电流回路测试。在电流回路测试中，它使用一个验证过程来检查通信线路的中断。它还检查发射机输出电流。在这个项目中，我们将使用几个组件创建一个基本的电流环路测试仪，它允许我们通过转动电位器来手动调整电流从4ma到20mA。该电路可以用作模拟程序或调试的虚拟传感器。

组件的需求

•PNP晶体管(BC557)

•一个运算放大器(使用JRC4558)

•300 k电阻

•1 k电阻

•50k 10转电位器。

•100 pf 16 v

•0.1uF 16V - 2个

•100R电阻-公差5%

•LED(任意颜色)

•5V电源

•电路试验板

•连接电线

•测量电流的万用表

让我们看一下这个项目中使用的重要组件。在下图中，显示了PNP晶体管BC557引脚输出。

这是最常见的三引脚PNP晶体管之一。BC557是NPN BC547的同对。从左到右的引脚是发射极、基极和集电极。其他等效晶体管有BC556、BC327、2N3906等。

这里使用的运算放大器(JRC4558)遵循与其他类型运算放大器相同的引脚图。引脚1、引脚2、引脚3用于单个运算放大器，引脚5、6、7用于另一个通道。任何通道都可以用于这个项目。第8个引脚是正电源，第4个引脚是GND。本项目使用JRC4558D运放，但其他运放也可以工作。如：TL072、LM258、LM358等。

零件表中的第5个部件，50k 10匝电位器来自Bourns。零件号为3590S-2-503L。然而，这是一个有点昂贵的组件。10转锅是最好的用于此目的，但其他通用电位器也工作得很好。不同之处在于，普通电位器的分辨率会更低，因为电流源的增加或减少不会是平滑的。在这个项目中，使用了伯恩斯电位器。与标准电位器引脚相比，波恩电位器的引脚有点令人困惑。在下图中，从左边开始的第一个销钉是雨刷销钉。在任何应用中连接此电位器时都需要小心。

线路图

4-20mA电流环路测试仪的完整电路图如下所示。

正如你所看到的，电路非常简单，它由一个驱动晶体管的运算放大器组成。晶体管的输出电流被馈送到LED，这个输出电流可以通过改变电位器从0毫安到20毫安的变化，并且可以通过如上所示连接的安培计来测量。

这里的运算放大器被设计为具有负反馈的电流源。输入可变电压通过电位器给予运算放大器的非反相引脚。最大输出电流(在本例中为20mA)通过使用连接到运放反相引脚的电阻来设置。现在，基于提供给非反相引脚的电压，运算放大器将偏置晶体管，使其通过LED产生恒定电流。无论负载电阻值作为电流源如何，都将保持恒定电流。这种类型的放大器被称为跨导放大器。电路很简单，可以很容易地在面包板上构建，如下图所示。

4-20mA电流环路测试仪的工作原理

这里的LED充当负载，电流环路为负载提供所需的电流。负载电流由BC557提供，BC557由运算放大器4558直接控制。在放大器的正输入端，电位器提供一个参考电压。根据参考电压，运算放大器向晶体管基极提供偏置电流。附加的串联电阻在电位器上添加，以限制参考电压以及放大器的输出，从而创建0mA到20mA的边界。改变这个电阻值也改变最小到最大电流输出边界。

电路测试

一旦电路建成，用一个5v的稳压电源给它供电。我使用了面包板电源，类似于我们之前构建的电源电路，如下所示。

注：300k电阻器，100k和200k串联使用两个电阻器。

为了测试电路，我使用了一个安培模式的万用表，并将其探头连接在电路图中所示的安培表的位置。如果您是新使用万用表的用户，可以参考本万用表使用指南。当我改变电位器时，可以注意到万用表上的电流值从4mA到20mA不等。完整的工作视频可以在这个底部找到。

电流环路测试电路的应用

4-20mA电流回路测试仪的主要应用是测试或校准接收4-20mA协议的PLC机器，并根据它提供数据。因此，错误的校准导致PLC感知到错误值。不仅是校准，而且也是一个方便的过程，以检查电流回路的破坏。

4 ~ 20ma电流回路在工业自动化控制系统中的应用范围十分广泛。例如，水流，阀门位置，产油量以及生产过程中必不可少的相关传感器都使用4- 20ma通信线路。为了节省时间和金钱，调试和发现故障状态是一项至关重要的工作。一个精确的4- 20ma电流环路测试仪是解决传感器相关问题的必要工具。

4-20mA电流环路测试仪的局限性

这种电路有一定的局限性。工业环境比实验室环境要恶劣得多。因此，电路应包括各种保护电路，如短路保护和浪涌保护在所有的输入和输出，适合在工业环境中使用。

本文编译自circuitdigest