CN105162451A - 一种用于软启动器的电流转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于软启动器的电流转换装置，包括依次连接的电流转换电压电路、电压转换电压电路以及电压转换电流电路，电流转换电压电路接入电流信号Iin转换为250Iin大小的第一转换电压信号并作为两路输出，其中一路作为转换电压信号输出，另一路输出至电压转换电压电路；电压转换电压电路将电流转换电压电路输出的第一转换电压信号放大1.25伏，得到第二转换电压信号U输出；电压转换电流电路接入第二转换电压信号U转换为3.2U大小的电流信号输出。本发明结构简单、成本低廉、能够将0~20ma电流转换为0~5V的电压信号以及4~20ma的电流信号、且易于实现的优点。

Description

一种用于软启动器的电流转换装置

技术领域

本发明涉及软启动器技术领域，尤其涉及一种用于软启动器的电流转换装置。

背景技术

在工业控制和许多传感器的应用电路中，一般是以电流方式和电压方式进行模拟信号传输，其中若以电压方式长距离传输模拟信号，则由于信号源电阻或传输线路的直流电阻等，会引起电压衰减，且易受外界干扰，因而为了保证信号的稳定性，在长距离传输模拟信号时，通常采用电流方式进行传输。目前主要的电流传输方式有0~20ma和4~20ma两种方式，且4~20ma电流相较于0~20ma电流方式具有优势，其主要优势在于可以检测到是否断线，因而目前大部分仪器仪表的处理信号为4~20ma。

在软启动器的主控制板上，通常都是把主电路上的电压电流信号经处理后得到小电流的模拟信号传输出去，处理后得到的信号一般是0~20ma，这与目前大部分仪器仪表所处理的4~20ma不匹配，产生信号不匹配问题。为解决上述信号不匹配问题，目前通常是使用电流环变送器驱动芯片，来将0~20ma电流信号转换成4~20ma电流信号，但这种电流环变送器驱动芯片的价格比较昂贵、性价比不高，也不适合批量生产。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、能够将0~20ma电流转换为0~5V的电压信号以及4~20ma的电流信号、且易于实现的用于软启动器的电流转换装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种用于软启动器的电流转换装置，包括依次连接的电流转换电压电路、电压转换电压电路以及电压转换电流电路，所述电流转换电压电路接入电流信号Iin转换为250Iin大小的第一转换电压信号并作为两路输出，其中一路作为转换电压信号输出，另一路输出至所述电压转换电压电路；所述电压转换电压电路将所述电流转换电压电路转换输出的第一转换电压信号放大1.25伏，得到第二转换电压信号U输出；所述电压转换电流电路接入所述第二转换电压信号U转换为3.2U大小的电流信号输出。

作为本发明进一步改进：所述电流转换电压电路包括依次连接的第一运算放大器P1以及第一电压跟随器P2，所述第一运算放大器P1接入电流信号Iin并转换为250Iin的第一转换电压信号，经所述第一电压跟随器P2输出两路信号，一路信号作为转换电压信号输出，另一路信号输出至所述电压转换电压电路；

所述电压转换电压电路包括第二电压跟随器P3、第一反相放大器P4、以及第二反相放大器P5，所述第一反相放大器P4的输入端分别连接所述第一电压跟随器P2的输出端、所述第二电压跟随器P3的输出端，所述第一反相放大器P4的输出端连接所述第二反相放大器P5的输入端；所述第二电压跟随器P3输出1.25伏电压，所述第一反相放大器P3将所述电流转换电压电路输出的第一转换电压信号反相放大1.25伏，经所述第二反相放大器P5进行反相转换后，输出第二电压信号U；

所述电压转换电流电路包括依次连接的第三电压跟随器P6、第一三极管Q1以及第二三极管Q2，所述第一三极管Q1的集电极与所述第二三极管Q2的基极连接，所述第三电压跟随器P6接入所述电压转换电压电路输出的第二电压信号U，经所述第一三极管Q1、第二三极管Q3转换为3.2U的电流信号。

作为本发明进一步改进：所述电流转换电压电路还包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3以及第四电阻R4；

所述第一电阻R1的一端连接所述第一运算放大器P1的正相输入端，另一端接地；所述第二电阻R2的一端连接所述第一运算放大器P1的输出端，另一端分别连接所述第一运算放大器P1的反相输入端、第三电阻R3，所述第三电阻R3的另一端接地；所述第四电阻R4的一端连接所述第一运算放大器P1的输出端，另一端连接所述第一电压跟随器P2的正相输入端。

作为本发明进一步改进：所述第一电阻R1为125欧电阻，所述第二电阻R2、第三电阻R3均为10千欧电阻，所述第四电阻R4为100千欧电阻。

作为本发明进一步改进：所述电压转换电压电路还包括第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10以及第十一电阻R11；

所述第五电阻R5的一端连接所述第一电压跟随器P2的输出端，另一端连接所述第一反相放大器P4的反相输入端；所述第六电阻R6的一端连接所述第二电压跟随器P3的输出端，另一端分别连接所述第一反相放大器P4的反相输入端、第七电阻R7，所述第七电阻R7的另一端连接所述第一反相放大器P4的输出端；所述第八电阻R8的一端分别连接所述第二电压跟随器P3的正相输入端、第九电阻R9，另一端连接电源，所述第九电阻R9的另一端接地；所述第十电阻R10的一端连接所述第一反相放大器P4的输出端，另一端分别连接所述第二反相放大器P5的反相输入端、第十一电阻R11，所述第十一电阻R11的另一端连接所述反相放大器P5的输出端。

作为本发明进一步改进：所述第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7均为51千欧电阻，所述第八电阻R8为9.6千欧电阻，所述第九电阻R9为1千欧电阻，所述第十电阻R10、第十一电阻R11均为100千欧电阻。

作为本发明进一步改进：所述电压转换电流电路还包括第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第十七电阻R17以及第十八电阻R18；

所述第十二电阻R12的一端连接所述第二反相放大器P5的输出端，另一端连接所述第三电压跟随器P6的正相输入端；所述第十三电阻R13的一端连接所述第三电压跟随器P6的反相输入端，另一端分别连接所述第一三极管Q1的发射极、第十五电阻R15，所述第十五电阻R15的另一端接地；所述第十四电阻R14的一端连接所述第三电压跟随器P6的输出端，另一端连接所述第一三极管Q1的基极；所述第十六电阻R16的一端通过第一二极管D1接入电源，另一端分别连接所述第一三极管Q1的集电极、第二三极管Q2的基极；所述第十七电阻R17的一端接入电源，另一端连接所述第二三极管Q2的发射极；所述第十八电阻R18的一端连接所述第二三极管Q2的集电极，另一端作为信号输出端。

作为本发明进一步改进：所述第十二电阻R12、第十三电阻R13均为10千欧电阻，所述第十四电阻R14、第十五电阻R15均为1千欧电阻，所述第十六电阻R16为320欧电阻，所述第十七电阻R17为100欧电阻，所述第十八电阻R18为20欧电阻。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1）本发明用于软启动器的电流转换装置，由电流转换电压电路接入电流信号Iin转换为250Iin大小的第一转换电压信号，电压转换电压电路将第一转换电压信号放大1.25伏，得到第二转换电压信号，再由电压转换电流电路3转换为3.2倍第二转换电压信号的电流信号输出，从而实现将0~20ma的电流信号转换为0~5V电压信号以及4~20ma的电流信号两种信号输出，可满足不同信号需求，同时解决信号匹配问题，也可以单独用于输出4~20ma电流信号，以内嵌到软启动器控制板中，因而应用广泛；

2）本发明用于软启动器的电流转换装置进一步采用6个运算放大器的结构实现，电路结构简单紧凑、所需成本低，且电流转换电压电路、电压转换电压电路以及电压转换电流电路中信号输出都使用运算放大器进行反相隔离或构成电压跟随器，因而转换精度高、信号传输稳定，同时结合电压转换电流电路中的双三极管协调控制，能够进一步提高电流精度以及输出信号的稳定度。

3）本发明用于软启动器的电流转换装置进一步采用6个运算放大器的结构实现时，只需要1块带6个运算放大器的集成电路和一个二极管、两个三极管以及若干电阻即可实现，结构简单、成本低廉且易于实现，便于在实际应用中进行批量生产。

附图说明

图1是本实施例用于软启动器的电流转换装置的实现原理示意图。

图2是本实施例用于软启动器的电流转换装置的电路结构示意图。

图例说明：1、电流转换电压电路；2、电压转换电压电路；3、电压转换电流电路。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1、2所示，本实施例用于软启动器的电流转换装置，包括依次连接的电流转换电压电路1、电压转换电压电路2以及电压转换电流电路3，电流转换电压电路1接入电流信号Iin转换为250Iin大小的第一转换电压信号并作为两路输出，其中一路作为转换电压信号输出，另一路输出至电压转换电压电路2；电压转换电压电路2将电流转换电压电路1转换输出的第一转换电压信号放大1.25伏，得到第二转换电压信号U输出；电压转换电流电路3接入第二转换电压信号U转换为3.2U大小的电流信号输出。

如图1所示，本实施例具体通过信号发生电路输出0~20ma电流信号，0~20ma电流信号经过电流转换电压电路1（I/V变换电路）转换为250Iin大小的第一转换电压信号，即转换为0~5V电压信号，一路直接通过信号输出端输出，另一路输出至电压转换电压电路2（V/V变换电路）；电压转换电压电路2（V/V变换电路）将0~5V放大1.25V，转换为1.25V~6.25V电压信号，输出至电压转换电流电路3（V/I变换电路）；电压转换电流电路3（V/I变换电路）再将1.25V~6.25V电压信号转换为3.2倍大小的电流信号，即得到4~20ma的电流信号。

本实施例通过上述结构能实现将0~20ma的电流信号转换为0~5V电压信号以及4~20ma的电流信号两种信号输出，可满足不同信号需求，同时解决信号匹配问题，也可以单独用于4~20ma电流信号的输出，以将本实施例电流转换装置直接内嵌到软启动器控制板中，因而应用广泛。

如图2所示，本实施例电流转换电压电路1包括依次连接的第一运算放大器P1以及第一电压跟随器P2，第一运算放大器P1接入电流信号Iin并转换为250Iin的第一转换电压信号，经第一电压跟随器P2输出两路信号，一路信号作为转换电压信号输出，另一路信号输出至电压转换电压电路2；第一电压跟随器P2的反相输入端与输出端相连；

电压转换电压电路2包括第二电压跟随器P3、第一反相放大器P4、以及第二反相放大器P5，第一反相放大器P4的输入端分别连接第一电压跟随器P2的输出端、第二电压跟随器P3的输出端，第一反相放大器P4的输出端连接第二反相放大器P5的输入端；第二电压跟随器P3输出1.25伏电压，第一反相放大器P3将电流转换电压电路1输出的第一转换电压信号反相放大1.25伏，经第二反相放大器P5进行反相转换后，输出第二电压信号U；

电压转换电流电路3包括依次连接的第三电压跟随器P6、第一三极管Q1以及第二三极管Q2，第一三极管Q1的集电极与第二三极管Q2的基极连接，第三电压跟随器P6接入电压转换电压电路2输出的第二电压信号U，经第一三极管Q1、第二三极管Q3转换为3.2U的电流信号。本实施例第一三极管Q1具体采用NPN型三极管、第二三极管Q2采用PNP型三极管，以及采用±12V电压供电。

本实施例第一电压跟随器P2、第二电压跟随器P3、第一反相放大器P4、以及第二反相放大器P5均由运放放大器实现，即本实施例电流转换装置通过6个运算放大器的集成即可实现0~20ma电流信号到0~5V电压信号、4~20ma电流信号的转换，电路结构简单紧凑、所需成本低，且上述每个电路中信号输出都使用运算放大器进行反相隔离或构成电压跟随器，因而转换精度高、信号传输稳定，同时结合第一三极管Q1、第二三极管Q2的双三极管协调控制，能够进一步提高电流精度以及输出信号的稳定度。

如图2所示，本实施例中电流转换电压电路1还包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3以及第四电阻R4；

第一电阻R1的一端连接第一运算放大器P1的正相输入端，另一端接地；第二电阻R2的一端连接第一运算放大器P1的输出端，另一端分别连接第一运算放大器P1的反相输入端、第三电阻R3，第三电阻R3的另一端接地；第四电阻R4的一端连接第一运算放大器P1的输出端，另一端连接第一电压跟随器P2的正相输入端。

本实施例中，第一电阻R1为125欧电阻，第二电阻R2、第三电阻R3均为10千欧电阻，第四电阻R4为100千欧电阻。

参见图2，设第一运算放大器P1的正相输入端电压为U1，输出端电压为U2，第一电压跟随器P2的输出端电压为U3。

根据“虚短”和“虚断”的原理有：

U1=R1*Iin，U3=U2（1）

其中Iin为第一运算放大器P1的正相输入端接入的电流。

根据电阻分压原理有：

U2=((R2+R3)/R3)*U1（2）

由式（1）、（2）并将各电阻阻值代入可得：

U3=U2=250*Iin（3）

输入电流Iin为0~20ma时，则由式（3）可得U3为0~5V电压信号，即由上述电流转换电压电路1完成将0~20ma到0~5V电压信号的转换。

如图2所示，电压转换电压电路2还包括第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10以及第十一电阻R11；

第五电阻R5的一端连接第一电压跟随器P2的输出端，另一端连接第一反相放大器P4的反相输入端；第六电阻R6的一端连接第二电压跟随器P3的输出端，另一端分别连接第一反相放大器P4的反相输入端、第七电阻R7，第七电阻R7的另一端连接第一反相放大器P4的输出端；第八电阻R8的一端分别连接第二电压跟随器P3的正相输入端、第九电阻R9，另一端连接电源（本实施例为+12V电源），第九电阻R9的另一端接地；第十电阻R10的一端连接第一反相放大器P4的输出端，另一端分别连接第二反相放大器P5的反相输入端、第十一电阻R11，第十一电阻R11的另一端连接反相放大器P5的输出端。

本实施例中，第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7均为51千欧电阻，第八电阻R8为9.6千欧电阻，第九电阻R9为1千欧电阻，第十电阻R10、第十一电阻R11均为100千欧电阻。

参见图2，设第二电压跟随器P3的正相输入电压为U5，输出端电压为U4；第一反相放大器P4的输出端电压为U6，第二反相放大器P5的输出端电压为U7。

根据“虚短”和“虚断”的原理有：

U5=12*R9/(R8+R9)，U4=U5（4）

根据反相放大电路的基本运算可得：

U4/R6+U3/R5=-U6/R7，U6/R10=-U7/R11（5）

由式（4）、（5）以及代入各电阻阻值可得：

U7=U3+1.25(V)（6）

由于U3为0~5V，则可得U7为1.25V~6.25V电压信号，即通过上述电压转换电压电路2完成将0~5V电压信号到1.25V~6.25V电压信号的转换。

如图2所示，电压转换电流电路3还包括第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第十七电阻R17以及第十八电阻R18；

第十二电阻R12的一端连接第二反相放大器P5的输出端，另一端连接第三电压跟随器P6的正相输入端；第十三电阻R13的一端连接第三电压跟随器P6的反相输入端，另一端分别连接第一三极管Q1的发射极、第十五电阻R15，第十五电阻R15的另一端接地；第十四电阻R14的一端连接第三电压跟随器P6的输出端，另一端连接第一三极管Q1的基极；第十六电阻R16的一端通过第一二极管D1接入电源，另一端分别连接第一三极管Q1的集电极、第二三极管Q2的基极；第十七电阻R17的一端接入电源（本实施例为+12V电源），另一端连接第二三极管Q2的发射极；第十八电阻R18的一端连接第二三极管Q2的集电极，另一端作为信号输出端。

本实施例中，第十二电阻R12、第十三电阻R13均为10千欧电阻，第十四电阻R14、第十五电阻R15均为1千欧电阻，第十六电阻R16为320欧电阻，第十七电阻R17为100欧电阻，第十八电阻R18为20欧电阻。

参见图2，设流经第十五电阻R15的电流为I₁₅，第一三极管Q1的发射极电压为U8；流经第十七电阻R17的电流为I₁₇，第十七电阻R17两端的电压为U₁₇，以及输出端信号为Iout。

根据“虚短”和“虚断”的原理：

U8=U7（7）

由电流电压规律可得：

I₁₅=U8/R15=U7/R15（8）

根据三极管的电流分配关系可得：

I₁₆=αI₁₅≈U7/R15，(α≈1)（9）

以及由电流电压规律可得：

U₁₆=I₁₆*R16=U7*R16/R15（10）

另外可知第十六电阻R16两端的电压加上第一二极管D1两端的电压，等于第十七电阻R17两端的电压加上第二三极管Q2的基极-发射极电压，而第一二极管D1两端的电压约等于第二三极管Q2的基极-发射极电压，因而可得：

U₁₇=U₁₆=U7*R16/R15（11）

则由电流电压规律可得：

I₁₇=U₁₇/R17=U7*R16/R15/R17（12）

以及根据三极管的电流分配关系可得：

Iout=αI₁₇≈I₁₇=U7*R16/R15/R17（13）

代入上述各式以及各电阻阻值可得：

Iout=3.2*U7(ma)（14）

由于U7为1.25V~6.25V，则由式（14）可得Iout为4~20ma电流输出信号，即由上述电压转换电流电路3完成将1.25V~6.25V电压信号到4~20ma电流信号的转换。

采用上述结构，只需要1块带6个运算放大器的集成电路和一个二极管、两个三极管以及若干电阻即可实现，结构简单、成本低廉且易于实现，便于在实际应用中进行批量生产。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种用于软启动器的电流转换装置，其特征在于：包括依次连接的电流转换电压电路（1）、电压转换电压电路（2）以及电压转换电流电路（3），所述电流转换电压电路（1）接入电流信号Iin转换为250Iin大小的第一转换电压信号并作为两路输出，其中一路作为转换电压信号输出，另一路输出至所述电压转换电压电路（2）；所述电压转换电压电路（2）将所述电流转换电压电路（1）转换输出的第一转换电压信号放大1.25伏，得到第二转换电压信号U输出；所述电压转换电流电路（3）接入所述第二转换电压信号U转换为3.2U大小的电流信号输出。

2.根据权利要求1所述的用于软启动器的电流转换装置，其特征在于：所述电流转换电压电路（1）包括依次连接的第一运算放大器P1以及第一电压跟随器P2，所述第一运算放大器P1接入电流信号Iin并转换为250Iin的第一转换电压信号，经所述第一电压跟随器P2输出两路信号，一路信号作为转换电压信号输出，另一路信号输出至所述电压转换电压电路（2）；

所述电压转换电压电路（2）包括第二电压跟随器P3、第一反相放大器P4、以及第二反相放大器P5，所述第一反相放大器P4的输入端分别连接所述第一电压跟随器P2的输出端、所述第二电压跟随器P3的输出端，所述第一反相放大器P4的输出端连接所述第二反相放大器P5的输入端；所述第二电压跟随器P3输出1.25伏电压，所述第一反相放大器P3将所述电流转换电压电路（1）输出的第一转换电压信号反相放大1.25伏，经所述第二反相放大器P5进行反相转换后，输出第二电压信号U；

所述电压转换电流电路（3）包括依次连接的第三电压跟随器P6、第一三极管Q1以及第二三极管Q2，所述第一三极管Q1的集电极与所述第二三极管Q2的基极连接，所述第三电压跟随器P6接入所述电压转换电压电路（2）输出的第二电压信号U，经所述第一三极管Q1、第二三极管Q3转换为3.2U的电流信号。

3.根据权利要求2所述的用于软启动器的电流转换装置，其特征在于：所述电流转换电压电路（1）还包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3以及第四电阻R4；

所述第一电阻R1的一端连接所述第一运算放大器P1的正相输入端，另一端接地；所述第二电阻R2的一端连接所述第一运算放大器P1的输出端，另一端分别连接所述第一运算放大器P1的反相输入端、第三电阻R3，所述第三电阻R3的另一端接地；所述第四电阻R4的一端连接所述第一运算放大器P1的输出端，另一端连接所述第一电压跟随器P2的正相输入端。

4.根据权利要求3所述的用于软启动器的电流转换装置，其特征在于：所述第一电阻R1为125欧电阻，所述第二电阻R2、第三电阻R3均为10千欧电阻，所述第四电阻R4为100千欧电阻。

5.根据权利要求2或3或4所述的用于软启动器的电流转换装置，其特征在于：所述电压转换电压电路（2）还包括第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10以及第十一电阻R11；

所述第五电阻R5的一端连接所述第一电压跟随器P2的输出端，另一端连接所述第一反相放大器P4的反相输入端；所述第六电阻R6的一端连接所述第二电压跟随器P3的输出端，另一端分别连接所述第一反相放大器P4的反相输入端、第七电阻R7，所述第七电阻R7的另一端连接所述第一反相放大器P4的输出端；所述第八电阻R8的一端分别连接所述第二电压跟随器P3的正相输入端、第九电阻R9，另一端连接电源，所述第九电阻R9的另一端接地；所述第十电阻R10的一端连接所述第一反相放大器P4的输出端，另一端分别连接所述第二反相放大器P5的反相输入端、第十一电阻R11，所述第十一电阻R11的另一端连接所述反相放大器P5的输出端。

6.根据权利要求5所述的用于软启动器的电流转换装置，其特征在于：所述第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7均为51千欧电阻，所述第八电阻R8为9.6千欧电阻，所述第九电阻R9为1千欧电阻，所述第十电阻R10、第十一电阻R11均为100千欧电阻。

7.根据权利要求6所述的用于软启动器的电流转换装置，其特征在于：所述电压转换电流电路（3）还包括第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第十七电阻R17以及第十八电阻R18；

所述第十二电阻R12的一端连接所述第二反相放大器P5的输出端，另一端连接所述第三电压跟随器P6的正相输入端；所述第十三电阻R13的一端连接所述第三电压跟随器P6的反相输入端，另一端分别连接所述第一三极管Q1的发射极、第十五电阻R15，所述第十五电阻R15的另一端接地；所述第十四电阻R14的一端连接所述第三电压跟随器P6的输出端，另一端连接所述第一三极管Q1的基极；所述第十六电阻R16的一端通过第一二极管D1接入电源，另一端分别连接所述第一三极管Q1的集电极、第二三极管Q2的基极；所述第十七电阻R17的一端接入电源，另一端连接所述第二三极管Q2的发射极；所述第十八电阻R18的一端连接所述第二三极管Q2的集电极，另一端作为信号输出端。

8.根据权利要求7所述的用于软启动器的电流转换装置，其特征在于：所述第十二电阻R12、第十三电阻R13均为10千欧电阻，所述第十四电阻R14、第十五电阻R15均为1千欧电阻，所述第十六电阻R16为320欧电阻，所述第十七电阻R17为100欧电阻，所述第十八电阻R18为20欧电阻。