基于运放LM324恒流源0~5V转4~20mA电路原理分析

项目需要，之前用到了一个0~5V转4~20ma的电路。由于之前没做过，所以直接上某宝买了一个现成的模块，拆解分析了一下，学到了一些东西。

买来的模块，输入范围是可调的。例如输入可以是0~3.3V，也可以是0~5V，输出对应4~20ma。我这里只用到了0~5V，所以调好以后，我把参数固定下来，在现有电路基础上做了简化，电位器改成了固定阻值的电路。

整体电路如下：

如图，左侧输入0~5V，右侧连接器的1、2脚输出4~20ma，3脚那里的VCC是供电，供电电压从12V~24V都可以。这里对整个电路的工作原理做一个详细的说明，如有错误请及时指正。

一、供电电源

上面说了，供电电源从12~24V都可以，其实范围可以更大一些。图上方的U3那里可以看到，VCC进来后给7805和LM324供电。所以只要满足7805和LM324的供电范围就可以，前提是发热量不大。

LED2是5V电源指示灯。

二、电压基准

电路工作需要一个稳定的基准电压，所以引入了一个电压基准芯片CJ431。而5V就是给CJ431供电的，用过的都懂，不解释。

使用431的1脚先输出一个基准电压2.5V，然后通过电阻R10、R20、R19、R18，R17等，在R19和R20那里分压，得到一个0.3968V的电压。

R10+R20+R19+（R18//R17）= 147.4K

R19+（R18//R17）= 23.4K

V_R19R20 = 0.3968V

这个电压有啥用？下一步说明。

三、输入0V时

基准电压有了，现在看输入0V时，输出如何控制在4ma的电流。部分电路如下：

3.1、P1的1脚输入0V时

由于接的是运放，根据虚短和虚断，U1.1的1脚输出也是0V。

3.2、U1.4的12脚

上一步已经计算过了，输入电压是0.3968V，根据虚短和虚断，U1.4的13脚电压也是0.3968V。

3.3、现在的问题，R2和R3之间的电压是多少？

R15的上面是0V，所以R15和R16可以看成并联，阻值为22.2K。

R15//R16 = 22.2178K

那么R2和R3之间的电压为0.201V，近似为0.2V。

（R2 + (R15//R16)）/ （R2 + R3 + (R15//R16)）* 0.3968 = 0.201V

3.4、U1.3附近

R2和R3之间的电压为0.2V，U1.2的5脚也是0.2V。U1.2搭建了一个2倍放大电路，所以U1.2的7脚是0.4V。同时，由于流过R4、R5、R6、R7的电流一样，所以可以得出U1.3的10脚的电压是0.6V，R7和R8之间的电压是0.8V。

3.5、那么Q1的发射极与R8之间的电压是多少？

根据虚短，U1.3的9脚和10脚电压相等，所以9脚电压也是0.6V。而R13和R14阻值一样，因此形成了一个2倍电压放大，于是得到Q1和R8之间的电压为1.2V。

3.6、R8上面的电压是1.2V，R8下面的电压是0.8V，压差0.4V。

0.4V / 100欧姆 = 4ma

于是，U4的1脚和2脚之间的电流固定为4ma。

四、当P1输入电压为5V时

当外部输入5V时，电路如何分析呢？和第三部分一样，先从输入开始。

此时，上面的电压是5V，U1.4的13脚电压是0.3968V，那么R2和R3之间的电压是多少？

一个电路中有两个电压源，计算分压，这时需要用到电路的叠加定理。

4.1、当5V单独作用时

0.3968V那里暂时看作GND。所以，R15和R16那里的电压等于R2和R3串联后，与R16并联，然后与R15串联获得的分压。

(R2+R3)//R16 / (R15 + (R2+R3)//R16) * 5 = 1.6118V

4.2、当0.3968V单独作用时

5V那里暂时看作GND。所以，R15和R16那里的电压等于R15与R16并联后，与R15和R16串联获得的分压。

R15//R16 = 22.2178K

R15//R16 / （R2 + R3 + R15//R16）* 0.3968 = 0.0053V

4.3、两个值叠加

得到R15与R16之间的真实电压。

V_R15R16=1.6118 + 0.0053 = 1.6171V

4.4、根据电阻分压，计算R2和R3之间的电压

V_R2R3 = （1.6171 – 0.3968）/ 2 + 0.3968 = 1.0069V

约为1V。

4.5、我们可以得到下面几个位置的电压：

还有这里：

R8上方的电压是6V，下方的电压是4V，所以R8承担的电压是2V，进而得到流过的电流：

2V / 100欧姆 = 20ma

于是，我们得到了20ma的一个输出，在一定范围内，电流大小不会因负载的阻值大小而变化。

五、结束

恒流源的设计还是很有意思的，主要依靠模拟电路的各种特性实现，让人有一种手撕电路的快感。

小信号范围内，通过类似的设计基本都能实现，但是要注意两件事。

• 5.1、一个是发热量，也就是功耗，别把部分元件烧了。
• 5.2、另一个是供电电压要够大，像Q1发射极的电压，计算出来就要6V了，供电电压肯定要比6V大，才能正常输出。

更大规格的恒流源，就要通过别的方法来实现了。例如电流提升到安培级别，电压十几V，这种要数字+模拟的方式。有兴趣的再沟通。

我是单片机爱好者-MCU起航，打完收工！