(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)实用新型专利
(10)授权公告号 CN 207638639 U(45)授权公告日 2018.07.20
(21)申请号 201721762968.3(22)申请日 2017.12.15
(73)专利权人 上海电机系统节能工程技术研究
中心有限公司
地址 200063 上海市普陀区武宁路505号7
号楼206室
专利权人 上海电器科学研究所(集团)有限
公司
上海电科电机科技有限公司(72)发明人 王辉
(74)专利代理机构 上海申汇专利代理有限公司
31001
代理人 翁若莹 柏子雵(51)Int.Cl.
H03K 19/018(2006.01)
权利要求书1页 说明书3页 附图1页
(54)实用新型名称
0～10V电压信号线性转换到4～20mA电流信号的电路(57)摘要
本实用新型涉及一种0～10V电压线性转换到4～20ma电流输出的电路。本实用新型在单电源供电的情况下，采用差分电压取样，利用了集成运放的精密运算特性与BJT三极管的非截至区特性，实现0～10V电压信号线性转换4～20mA电流信号，尤其是当电压输入信号为0或者无输入时，电路通过预置的偏置电路稳定的输出4mA的电流信号，避免无信号或者电压为0V时，由干扰或者系统温漂而引起的输出信号不稳定。即用较少的器件现了电压到电流的线性转换，又实现了利用三极管输出特性取样来提高输出信号的抗干扰能力。较之传统转换电路，增加了4Ma电流预置电路，增强了稳定度。
CN 207638639 UCN 207638639 U
权 利 要 求 书
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1.一种0～10V电压线性转换到4～20ma电流输出的电路，其特征在于，包括集成运放单元U1A，集成运放单元U1A的同相输入端一方面经由电阻R1连接电压型传感器模拟量输出端口，另一方面经由电阻R2接地，集成运放单元U1A的反相输入端经由电阻R3接地，集成运放单元U1A的输出端与NPN三极管Q1的基极相连接，NPN三极管Q1的发射极经由电阻R3接地，电压源经由电阻R5连接NPN三极管Q1的集电极，NPN三极管Q1的集电极还与集成运放单元U1B的同相输入端及NPN三极管Q2的集电极相连；
电压源经由电阻R6连接PNP三极管Q3的发射极及集成运放单元U1B的反相输入端，集成运放单元U1B的输出端经由电阻R7连接PNP三极管Q3的基极，PNP三极管Q3的集电极经由负载电阻RL接地；
NPN三极管Q2的发射极经由电阻R4接地，并与集成运放单元U1C的反相输入端相连，集成运放单元U1C的同相输入端与3.3V等电位端连接，集成运放单元U1C的输出端与NPN三极管Q2的基极相连。
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CN 207638639 U
说 明 书
0～10V电压信号线性转换到4～20mA电流信号的电路
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技术领域
[0001]本实用新型涉及一种0～10V电压信号线性转换到4～20mA电流信号的电路。背景技术
[0002]一般的通用传感器都具备有模拟量输出的功能，电压型的通用传感器为0～10V输出。由于电压信号远距离传输损失较大，为了有效传输传感器的信号且具备一定的抗干扰性，需要将传感器输出的电压信号转换为电流信号进行传送。并且因为传输线缆的长度和取样负载情况不统一，需要电流输出电路对总负载有一定的适应能力。发明内容
[0003]本实用新型的目的是提供一种0～10V电压信号转换为负载线性输出4～20mA电流信号的电路，在保证输出能力的前提下，提高信号转换的线性度和输出精度，增加抗干扰的能力。
[0004]为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是提供了一种0～10V电压线性转换到4～20ma电流输出的电路，其特征在于，包括集成运放单元U1A，集成运放单元U1A的同相输入端一方面经由电阻R1连接电压型传感器模拟量输出端口，另一方面经由电阻R2接地，集成运放单元U1A的反相输入端经由电阻R3接地，集成运放单元U1A的输出端与NPN三极管Q1的基极相连接，NPN三极管Q1的发射极经由电阻R3接地，电压源经由电阻R5连接NPN三极管Q1的集电极，NPN三极管Q1的集电极还与集成运放单元U1B的同相输入端及NPN三极管Q2的集电极相连；
[0005]电压源经由电阻R6连接PNP三极管Q3的发射极及集成运放单元U1B的反相输入端，集成运放单元U1B的输出端经由电阻R7连接PNP三极管Q3的基极，PNP三极管Q3的集电极经由负载电阻RL接地；
[0006]NPN三极管Q2的发射极经由电阻R4接地，并与集成运放单元U1C的反相输入端相连，集成运放单元U1C的同相输入端与3.3V等电位端连接，集成运放单元U1C的输出端与NPN三极管Q2的基极相连。
[0007]本实用新型在单电源供电的情况下，采用差分电压取样，利用了集成运放的精密运算特性与BJT三极管的非截至区特性，实现0～10V电压信号线性转换4～20mA电流信号，尤其是当电压输入信号为0或者无输入时，电路通过预置的偏置电路稳定的输出4mA的电流信号，避免无信号或者电压为0V时，由干扰或者系统温漂而引起的输出信号不稳定。即用较少的器件现了电压到电流的线性转换，又实现了利用三极管输出特性取样来提高输出信号的抗干扰能力。较之传统转换电路，增加了4Ma电流预置电路，增强了稳定度。附图说明
[0008]图1为本实用新型提供的一种0～10V电压线性转换到4～20ma电流输出的电路的原理图。
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说 明 书
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具体实施方式
[0009]为使本实用新型更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。[0010]结合图1，本实用新型提供的0～10V电压信号转换为负载在0～500欧姆线性输出4～20mA电流信号的电路，包括电压型传感器模拟量输出端口连接到电阻R1的一端，电阻R1另一端连接到集成运放单元U1A的同相输入端和电阻R2的一端。电阻R2另一端连接到地等点位端。集成运放单元U1A的反相输入端分别与电阻R3的一端和NPN三极管Q1的发射极连接。电阻R3的另一端连接到信号地等电位端。集成运放单元U1A的输出端和NPN三极管Q1的基极相连接。NPN三极管Q1的集电极分别与电阻R5的一端、NPN三极管Q2的集电极、集成运放U1B单元的同相输入端相连。电阻R5的另一端分别与电阻R6的一端和+15v等电位端连接。电阻R6的另一端分别与集成运放单元U1B单元的反相输入端和PNP三极管Q3的发射极连接。[0011]NPN三极管Q2的基极与集成运放单元U1C的输出端连接。NPN三极管Q2的发射极分别与电阻R4的一端和集成运放单元U1C的反相输入端连接。集成运放单元U1C的同相输入端与3.3V等电位端连接。集成运放单元U1B的输出端连接电阻R7的一端。电阻R7的另一端连接PNP三极管Q3的基极。PNP三极管Q3的集电极和负载电阻RL的一端相连接。负载电阻RL的另一端连接到信号地等电位端。[0012]结合图1，集成运放的输入采用精密电阻分压采样；集成运放单元U1A同相输入端电压Ua如式(1)所示为：
[0013][0014][0015][0016][0017]
根据运放输入虚短理论流过R3的电流Ie1如式(2)所示：
根据运放输入虚短理论流过R4的电流Ie2如式(3)所示：
根据三极管放大区工作原理，设NPN三极管Q1的Hfe为β1，则流过NPN三极管Q1集电
极的电流Ic1如式(4)所示：
[0019][0020]
[0018]
同理设NPN三极管Q2的Hfe数为β2，则流过NPN三极管Q2集电极的电流Ic2如式(5)
所示：
[0021][0022]
则流过电阻R5的电流ia为流过NPN三极管Q1集电极与NPN三极管Q2集电极电流之
和，如式(6)所示：
[0023][0024]
因为电阻R5与电阻R6两端的电压向同，则流过电阻R6的电流ic如式(7)所示：
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CN 207638639 U[0025][0026][0027][0028][0029][0030][0031]
说 明 书
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设PNP三极管Q3的Hfe为β3，则流过负载的电流iL如式(8)所示：
结合式(1)～式(8)可以得到式(9)：
在本实施例中Q1、Q2为同一型号的三极管，因此可认为β1≈β2，可以得到式(10)：
在本实施例中取R1＝30K，R2＝10K，Q1、Q2为BC847C，R3＝7.77K，R4＝41.2K，R5＝
2.49K，R6＝49.9R，R7＝15K，Q3为BC856，三极管的Hfe按典型值取β1＝520，β3＝600，带入式(10)可以得到式(11)单位mA：[0033]iL＝1.5998*Ui+3.9825 (11)[0034]当输入电压Ui为0时，iL＝3.9825mA，比设计值偏差0.44％。当输入电压为10v时，iL＝19.9805mA，比设计值偏差0.099％。本电路属于一种高线性度，高精度的转换电路。
[0032]
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说 明 书 附 图
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图1
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