解析好用的隔离型 4 - 20mA 发生电路

出处:网络整理时间:2025-05-20
  在电路设计领域,4 - 20mA 发生电路是一种常用的电路类型,广泛应用于工业现场等场景。目前,网络上存在众多关于 4 - 20mA 发生电路的设计方案,也有现成的芯片可供使用,例如 AD694,笔者曾有过使用这款芯片的经历。然而,大部分的电路或芯片与单片机部分未实现隔离,同时几路 4 - 20mA 电路之间也缺乏隔离措施,这使得其在工业现场的稳定性容易受到影响。
  通过对他人的隔离卡电路进行深入分析,我们得到了一种性能良好且成本较低的设计方案。该方案旨在提高 4 - 20mA 信号的稳定性,采用光耦实现信号隔离,并借助 PWM 与 RC 滤波来获得稳定的直流输出。
  电路分析  电路如下图所示:

  在这个电路中,光耦起到了关键的隔离作用,其左侧与右侧实现了有效的电气隔离。光耦左侧一般由单片机、CPLD、DSP 等控制设备连接。光耦 4 脚上的 V_ref 为 5V 的基准源,这里可以选用如 TL431 等常见的基准源芯片。运放 3 脚的电压由两部分组成,一部分是光耦 3 脚输出的 PWM 信号,另一部分是可调电阻 R57 的调节电压。经过后面两组 RC 低通滤波处理后,得到稳定的直流电压,将该直流电压除以电阻 R55 的值,即可得到输出电流。
  电路设计注意事项
  可调电阻 R57 的作用:可调电阻 R57 在电路中主要用于提高基准。在一些情况下,原先的电流输出可能接近 0mA,通过合理调节 R57,可以将输出电流的下限提高到 4mA 左右。这样的调整方式能够简洁地提高输出精度,使得电路在实际应用中能够更准确地输出所需的电流信号。
  相邻电路地之间的连接:每组 4 - 20mA 电路都是相互隔离的,但需要注意的是,相邻的 4 - 20mA 电路之间的两个地需要跨接一个压敏电阻。在实际测试过程中发现,如果不进行这样的连接,相邻电路之间会产生干扰。虽然目前具体的干扰原因尚不清楚,但这一现象在实际测试中得到了验证。如果有读者了解其中的原理,希望能够分享交流。
  电源隔离方案:对于电源隔离,可以直接购买现成的 DCDC 隔离芯片。例如,笔者使用的金升阳 A2412S - 1WR2,功率为 1W,价格大概十几块一片,能够满足一般的使用需求。如果考虑到成本因素,也可以使用变压器来实现电源隔离,并且变压器还可以同时输出多路隔离电源。不过,变压器的设计相对复杂,由于笔者对变压器设计不太熟悉,这里就不详细展开讨论了。

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