4-20mA电流环路系统废能利用
4-20mA电流环路信号常用于工业环境,实现远距测量数据传输,例如:加工温度或者容器压力等。这种信号传输方式之所以成为人们的首选,因为它简单便捷、抗噪、安全,并且可以在没有数据损坏的情况下实现远距离传输。由于传输数据的电流相对较低,这些电流环路还是低功耗系统。以前,没有获得利用的功率,或者信号传输过程中损失的功率,都在发送器内耗散掉;但现在,利用现代集成电路以后,即使这一小部分功率也被节省下来,以支持系统中必需功能的正常工作。
4-20mA 电流环路系统基础知识
图 1 显示了一个典型的 4-20mA 电流环路系统。一个半稳压式 24V DC 电源同时向电流环路和发送器组件供电。发送器对重要信号(例如:温度、压力和其他参数)进行测量,然后输出一个 2-20mA 电流,其与该信号强弱成比例。该电流通过线路,传输至某个接收机系统。之后,电流遇到电阻器形成电压,其通过一个模数转换器 (ADC) 读出,然后再经过进一步处理。通过连线,连接回到为环路供电的电压源,这样构成一个完整的环路。
图 1 基本的 4-20mA 电流环路系统
工业应用中使用这些电流环路具有诸多好处:
l 电流环路是一些简单电路,仅要求一个简易电源、一个完成测量然后产生电流的发送器、一条传输线以及一个接收机电路。电源只需提供足以克服各种系统压降问题的电压;多余的环路电压刚好在发送器处得到降低。由于电流较低,仅有少量功耗,因此发热较少。
l 电流环路仅包含一个电流环路。因此,根据基尔霍夫电流定律,通过环路中所有组件的电流相等。这样便实现了较高的抗噪性,而抗噪性又是工业环境应用的关键。
l 由于信号电平最低达到 4mA,从而实现了安全性。如果环路内部出现损坏,或者环路连接断开,则接收机无法读出电流,其表明出现故障,而非最低信号电平。
l 只要电源电压高到足以克服系统压降,则代表测得信号的理想电流由发送器维持。因此,高压降和低成本的小规格线材用于进行互连,其仅要求增加电源电压。最为重要的是,线路允许相对较大的压降,便可以使用大量的连线。这样,受测仪器和对测量数据进行处理的控制室之间便可实现物理隔离,从而为控制室内的人员提供安全保护。
基本系统改进
我们可以利用多余的环路电压,用于向接收机电路供电,否则其会在发送器被降下来。图 2 显示了一个在电流环路中插入的电源。该电源与其供电的接收机电路一起放置于控制室中——有效地将多余环路电压转换为有用输出功率。
图 2 4-20mA电流环路中多余环路电压的利用
由于接收机电阻不再接地参考,因此可能会需要电平移动电路,以连接数据转换器输入。任何高端分流监测器(例如:TI INA138等)都可提供这种极为简单的电路。这些器件对共模电压的小检测电阻压降进行测量,从而降低接收机电阻的必要压降。这样便让更多的电压可以为电源所利用,从而降低能源浪费。
这种电源通常会提供经过稳压的 3.3V 输出,以为电平位移器、数据转换器以及控制室内的所有其他低功耗设备供电。例如,来自 TI MSP430TM 平台的微处理器,其对接收数据进行检查,然后做出决策;来自 TI CC430 系列的低功耗 RF 器件,其将数据无线传输至其他地方。如果无需为特别长的电流环路购买和安接线路,从而实现成本节省,则无线发送器特别有用。这些器件的功耗必须非常低,因为榨取自电流环路的多余能源数量有限。
最后,这种电源还必须能与此类低功耗电源一起工作—最小电流 4mA,最大电流 20mA。由于这种电流所产生的电压为环路的多余电压,因此电源必须接受一个宽输入电压范围,并且仍然提供稳定的输出。对这种电源而言,更困难的是通过限流电源来启动系统。一般而言,启动期间要求更高的输出功率,对输出电容器充电,同时为负载提供启动电流。它远高于正常运行时系统消耗的量。如果电源要在启动期间提供这种高功率,则其输出功率会超出电流环路提供的量。如果出现这种情况,进入电源的电压会在电源关闭以前不断下降。这样,在重新开启以前,其输入电压会再次上升,并不断重复该过程。当电源通过这种小输入功率工作时,启动振荡是我们需要克服的一个难题。
能源利用解决方案
正如前面所述,废能利用型电源必须拥有较宽的输入电压范围,能够通过非常小的输入功率工作,并能在通过限流电源供电时避免出现启动振荡。TI 的 TPS62125 便是一个这种电源,因为它通过一个 3-17V 输入工作,仅要求 11 µA 的工作电流,并且拥有带可调磁
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