可将电流从4ma调整到20mA的电流回路测试仪

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 0 和 1 的以下协议进行通信，如 USART、I2C、SPI 等。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到电流转换器相结合，将模拟电压转换为模拟电流，从而成为可变电流传感器。

该变电流传感器遵循4-20mA协议，即当测量值为0时传感器输出4mA，当测量值为最大值时输出20mA。如果传感器输出任何小于 4mA 或大于 20mA 的电流，则可以假定为故障状态。传感器通过双绞线输出电流，仅允许电源和数据流过 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，因此可以远距离发送，而无需担心由于电线电阻引起的电压降或抗噪性。

在工业中，传感器的校准是一个常规过程，为了校准系统以及排除错误结果，执行电流回路测试。在电流回路测试中，它使用检查通信线路中断的验证过程。它还检查变送器输出电流。在这个项目中，我们将使用几个组件创建一个基本的电流回路测试仪，它允许我们通过转动电位器手动将电流从 4ma 调整到 20mA 。该电路可用作模拟程序或调试的虚拟传感器。

组件要求

一个PNP晶体管（使用BC557）

运算放大器（使用 JRC4558）

300k电阻

1k电阻

50k 10 圈电位器。

100pF 16V

0.1uF 16V - 2个

100R电阻-容差5%

LED（任何颜色）

5V电源

面包板

连接线

万用表测量电流

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 是一对相同的 NPN BC547。从左到右，引脚分别是发射器、基座和收集器。其他等效晶体管有 BC556、BC327、2N3906 等。

这里使用的运算放大器（JRC4558） 遵循与其他类型的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。任何渠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。JRC4558D运算放大器用于该项目，但其他运算放大器也可以工作。比如像——TL072、LM258、LM358等。

零件清单中的第 5 个组件，50k 10 圈电位器来自 Bourns。部件号为 3590S-2-503L。但是，它是一个有点昂贵的组件。10 转电位器最适合此目的，但其他通用电位器也可以正常工作。不同之处在于，使用通用电位器的分辨率会更低，因为电流源的增量或减量不会平滑。在这个项目中，使用了 Bourns 电位器。与标准电位器引脚排列相比，Bourns 电位器的引脚排列有点混乱。在下图中，左起第一个引脚是雨刷引脚。在任何应用中连接此电位器时都需要小心。

电路原理图

4-20mA 电流回路测试仪的完整电路图如下所示。

如您所见，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，该输出电流可以通过改变电位器在 0mA 到 20mA 之间变化，并且可以通过如上所示连接的电流表测量。

此处的运算放大器旨在用作具有负反馈的电流源。使用电位器将输入可变电压提供给运算放大器的非反相引脚。最大输出电流（在这种情况下为 20mA）通过使用连接到运算放大器反相引脚的电阻器来设置。现在基于从电位器提供给非反相引脚的电压，运算放大器将偏置晶体管以通过 LED 提供恒定电流。无论用作电流源的负载电阻值如何，都将保持该恒定电流。这种类型的放大器称为跨导放大器。该电路很简单，可以在面包板上轻松构建，如下所示。

4-20mA电流回路测试仪的工作原理

这里的 LED 充当负载，电流环路电路为负载提供所需的电流。负载电流由运算放大器 4558 直接控制的 BC557 提供。在放大器的正输入端，电位计提供参考电压。根据参考电压，运算放大器向晶体管的基极提供偏置电流。电位器两端添加了额外的串联电阻，以限制参考电压以及放大器的输出，从而形成 0mA 至 20mA 的边界。改变这个电阻值也会改变最小到最大电流输出边界。

电路测试

构建电路后，使用经过调节的 5V 电源为其供电。我使用了面包板电源，类似于我们之前为电路供电的电路，如下所示。

注意：对于 300k 的电阻，100k 和 200k 串联使用两个电阻。

为了测试电路，我在安培模式下使用了一个万用表，并连接了它的探针来代替电路图中显示的电流表。如果您是万用表新手，可以查看此万用表使用指南。当我改变电位器时，可以注意到万用表上的电流值在 4mA 到 20mA 之间变化。完整的工作视频可以在此底部找到。

电流回路测试仪电路的应用

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，错误的校准会导致 PLC 感知到的错误值。不仅校准，而且它也是一个方便的过程来检查电流回路破损。

4-20mA电流环的应用在工业自动化控制系统中有着巨大的应用范围。例如，水流、阀门位置、石油生产以及生产过程中必不可少的相关传感器都使用4-20毫安通信线。调试和查找故障条件是该行业节省时间和金钱的一项重要工作。精确的 4-20 mA 电流回路测试仪是解决传感器相关问题的重要工具。

4-20mA 电流回路测试仪的局限性

该电路有一定的局限性。工业环境比实验室环境更加恶劣。因此，该电路应由各种保护电路组成，例如所有输入和输出的短路保护和浪涌保护，适合在工业环境中使用。