【个人经验分享】4~20mA隔离电流采样电路

这个电路是一个量产的模块化电路,产品如下所示,是一个隔离的4-20mA的一个模块:

可以看到其原理图的主要部分由一颗线性光耦HCNR200-500E和运算放大器组成,然后电路图和公式如下所示:

这个图在HCNR200-500E的数据手册中也有类似的电路图,可以说基本一模一样,其中传输增益K3的范围是0.85~1.15,那难道这个电路的误差范围是±15%吗?那还能用吗?比如4mA的环路电流,最终输出给单片机采样计算后会有15%的误差(同一批次下的产品)?这样看起来的话应该是需要校准一下。这个传输增益这一点我不是很理解,用过这个电路的佬可以评论区解一下惑:

然后是电路的公式推导,为了简便理解,所以我们就默认K3=1吧,即认为光耦内部这俩接收管的一致性非常的棒,100%一致。那么通过电流路径我们可以看出有以下所示的主要路径,流过运算放大器的工作电流Iop,三极管的偏置电流ib,光耦的发光电流It,稳压管的稳压电流Izener,然后最终分为两路Ir1和Isense合成为最终的Iloop。在隔离测的光耦接收管有一个Ir2,本计算为了简便运算令其等于Ir1,电流路径如下所示:

为了方便运算和理解,我们只看主要的电流路径,Ir和Isense和Iloop。我们可以知道以下三个公式:

Iloop=Isense+Ir ①

Ir = Vout/R1 ②

Ir*R2 = Isense *R5 ③

将2式带入3式,我们可以获得

Vout*R2/R1 = Isense*R5

Isense = Vout*R2/R1*R5 ④

而Iloop = Isense+Ir,所以将4式加上2式可得:

Iloop = Vout*(R2+R5)/R1*R5。

由此推导结束。

总结:

电路还是很不错的电路,就是不知道实际使用精度咋样?毕竟看数据手册的这个K3的范围是0.85~1.15还是蛮吓人的,看起来是不校准不能用系列。不过转过来想,其实只要这个K3传输比的温度系数OK就好,这样常温校准完之后,将校准系数写入存储器即可。