摘要：首先介紹了XTR系列集成電流變送器的產(chǎn)品分類及主要特點，然后闡述了XTR115的工作原理,，最后介紹了XTR115及XTR101的典型應用。
關鍵詞：電流變送器,；電流環(huán),；應變橋；保護電路
引言
集成電流變送器亦稱電流環(huán)電路,，根據(jù)轉換原理的不同可劃分成以下兩種類型：一種是電壓／電流轉換器,，亦稱電流環(huán)發(fā)生器，它能將輸入電壓轉換成4～20mA的電流信號（典型產(chǎn)品有1B21,，1B22,，AD693，AD694,，XTR101,，XTR106和XTR115）；另一種屬于電流／電壓轉換器,，也叫電流環(huán)接收器（典型產(chǎn)品為RCV420）,。上述產(chǎn)品可滿足不同用戶的需要。

XTR系列是美國BB（BURR－BROWN）公司生產(chǎn)的精密電流變送器,，該公司現(xiàn)已并入TI公司,。該系列產(chǎn)品包括XTR101，XTR105,，XTR106,，XTR110，XTR115和XTR116共6種型號,。其特點是能完成電壓／電流（或電流／電流）轉換,，適配各種傳感器構成測試系統(tǒng)、工業(yè)過程控制系統(tǒng),、電子秤重儀等,。
1 XTR系列產(chǎn)品的分類及性能特點
XTR系列精密電流變送器產(chǎn)品的分類及主要特點詳見表1。
表1 XTR系列產(chǎn)品的分類及主要特點


2 XTR115型電流變送器的工作原理
2.1 性能特點
1）它屬于二線制電流變送器,，內(nèi)部的2.5V基準電壓可作為傳感器的激勵源,。XTR115可將傳感器產(chǎn)生的40～200μA弱電流信號放大100倍，獲得4～20mA的標準輸出,。當環(huán)路電流接近32mA時能自動限流,。如果在腳3與腳5之間并聯(lián)一只電阻，就可以改變限流值。
2）芯片中增加了＋5V精密穩(wěn)壓器,，其輸出電壓精度為±0.05％,，電壓溫度系數(shù)僅為20×10－6／℃，可給外部電路（例如前置放大器）單獨供電,，從而簡化了外部電源的設計,。
3）精度高，非線性誤差小,。轉換精度可達±0.05％,，非線性誤差僅為±0.003％。
4）環(huán)路電源電壓的允許范圍寬,，Us=7.5～36V,。XTR115由環(huán)路電源供電。工作溫度范圍是－40℃～＋85℃,。
5）專門設計了功率管接口,，適配外部NPN型功率晶體管，它與內(nèi)部輸出晶體管并聯(lián)后可降低芯片的功耗,。

2.2 工作原理
XTR115采用SO－8小型化封裝,，其內(nèi)部電路框圖及基本應用電路如圖1所示。U＋為電源端,，接環(huán)路電源,。UREF為2.5V基準電壓輸出端。II端接輸入電流,。IRET為基準電壓源輸出電流和穩(wěn)壓器輸出電流的返回端,，可作為輸入電路的公共地。OUT為4～20mA電流輸出端,。UREG為＋5V穩(wěn)壓器的輸出端,。B和E端為外部功率管的接口，分別接功率管的基極（B）和發(fā)射極（E）,。功率管的集電極（C）接U＋端,。芯片內(nèi)部主要包括輸入放大器（A），電阻網(wǎng)絡,，輸出晶體管（VT1）,，2.5V基準電壓源和＋5V穩(wěn)壓器。RLIM為內(nèi)部限流電阻,。外圍元器件主要有輸入電阻（RI）,，功率管（VT2），環(huán)路電源（Us）和負載電阻（RL）,。輸入電壓UI先經(jīng)過RI轉換成輸入電流II,，再經(jīng)過XTR115放大后從OUT端輸出4～20mA的電流信號,。為減小失調(diào)電壓以及輸入放大器的漂移量，要求UI>0.5V,。輸出電流與輸入電流,、輸入電壓的關系由式（1）確定。
Io=100II=100UI／RI（1）
3 XTR系列產(chǎn)品的應用電路
3.1 應變橋電流變送器
由XTR115構成應變橋電流變送器的電路如圖2所示,。將腳3視為公共地,，由腳1給應變橋提供＋2.5V的電源電壓,。前置放大器采用TL061型單運放（亦可采用OPA2277型雙運放,，僅用其中的一個運放），由＋5V穩(wěn)壓器單獨給運放供電,。RI為20kΩ輸入電阻,，C為降噪電容，VT為外部NPN功率管,，可選2N4922,，TIP29C或TIP31B等型號。以2N4922為例,，其主要參數(shù)為UCEO=60V,，ICM=1A，PCM=30W,。該電路的工作原理是當試件受力時,，應變橋輸出的電壓信號首先經(jīng)過前置放大器放大成0.8～4V的輸入電壓UI，再通過RI轉換成40～200μA的輸入電流II,，最后經(jīng)XTR115放大100倍后獲得4～20mA的電流,。
需要指出，XTR115只能配NPN功率管,，不能配MOS場效應功率管,。外部功率管應滿足XTR115對電壓、電流的要求,，使用中還須給功率管裝上合適的散熱器,。
3.2 保護電路的設計
保護電路應兼有反向電壓保護與正向過壓保護兩種功能。XTR115的保護電路如圖3所示,。反向電壓保護電路由二極管整流橋VD1～VD4組成,，可防止因將環(huán)路電源的極性接反而損壞芯片。整流二極管可選用1N4148型高速硅開關二極管,，其主要參數(shù)為URM=75V,，Id=150mA，trr=4ns,。采用橋式保護電路之后就不用再考慮環(huán)路電源的極性,，因為,，無論Us的極性是否接反，它總能保證U＋端接得是正電壓,。鑒于在任何時刻整流橋上總有兩只二極管導通,，因此，在計算環(huán)路電壓ULOOP時須扣除兩只硅二極管的正向壓降（約為1.4V）,，由式（2）確定,。
ULOOP=Us－IORL－1.4（2）
過壓保護電路采用一只1N4753A型穩(wěn)壓管，其穩(wěn)定電壓為36V,，穩(wěn)定電流為7.0mA,。當環(huán)路電壓過高時就被鉗位到36V。實驗證明,，即使環(huán)路電壓達到65V,，XTR115也不會損壞。為了改善瞬態(tài)過壓保護特性,，還可采用Motorola公司生產(chǎn)的P6KE39A型瞬態(tài)電壓抑制器（其英文縮寫為TVS,，亦稱瞬變電壓抑制二極管）來代替穩(wěn)壓管。P6KE39A的鉗位電壓UB=39V,，鉗位時間僅為1ns,，其性能遠優(yōu)于齊納穩(wěn)壓管。
3.3 配J型熱電偶的電流變送器電路


由XTR101構成帶冷端溫度補償功能的J型熱電偶輸入電路,，如圖4所示,。該電路可將溫度信號轉換成4～20mA的電流信號。Rs為滿量程（SPAN）設定電阻,，其電阻值由式（3）確定,。
Rs=40/[（ΔIo/U1）-0.016]（3）
式中：ΔIo=20mA－4mA=16mA。
例如,，當UI=100mV時,，由式（3）不難算出，Rs=278Ω,。Rs的引線應盡量短,，以減小干擾。當Rs=∝時,，UImax=1V,。Rp為調(diào)零電位器，在0℃下調(diào)整Rp可使Io=4mA,。冷端溫度補償電路由二極管VD1,，分壓電阻R1和R2組成，R1及R2均采用精密金屬膜電阻,。
J型熱電偶在－200℃～＋750℃測溫范圍內(nèi)的平均溫度系數(shù)αT=＋51.70μV／℃,。硅二極管正向壓降的溫度系數(shù)αD≈－2.1mV/℃,，經(jīng)過R1和R2分壓后
αD′=αD·[R1/（R1+R2）]=－2.1×[51/（2×10 3+51）]=－52μV／℃≈－αT
因為αD′與αT的大小相等而方向相反，二者又分別接到XTR101的負輸入端和正輸入端上,，所以在室溫下二者能互相抵消,，從而實現(xiàn)了冷端溫度（即環(huán)境溫度）補償，使溫差熱電勢僅僅與被測溫度有關（e=αTT）,，不受環(huán)境溫度變化的影響,。XTR101能輸出兩路1mA激勵電流，分別接J型熱電偶和電阻分壓器,。反向電壓保護電路由VD2組成,，當Us接反時VD2截止，電源不通,。正常工作時VD2導通,，環(huán)路電壓ULOOP=Us－IORL－0.7V,。