两线 4-20 mA 现场发送器在工业控制和自动化领域中是十分常见的。它们之所以受到欢迎，是因其只需两根模拟信号线就能实现某种远程进程的监视。这两根信号线同时传输用于传感器 / 监视电路的供电功率以及模拟输出信号。尽管仅有两根信号线，但在设计此类系统时却有一些必需了解的常见问题。这篇博客帖子概要阐述了两线系统以及怎样避免最大压降 (compliance voltage) 问题。
两线4-20mA发送器是工业控制和自动化领域中的关键组件，它们通过两根信号线同时传输电源和模拟输出信号，实现对远程过程的监控。这种设计减少了所需的硬件和布线，降低了成本，提高了系统的可靠性和效率。然而，尽管两线系统看似简单，但在设计和实施过程中需要注意一些关键问题，特别是最大压降（Compliance Voltage）问题。
理解两线系统的工作原理至关重要。如图1所示，系统中包含一个环路电源（VLOOP）和一个回接点（RTN），它们共同为传感器或监视电路供电并传输4-20mA的模拟信号。通常，VLOOP的电压为+24V，负载电阻（RLOAD）为250Ω。这种配置允许发送器在4mA到20mA的范围内精确控制输出电流，从而反映传感器的数据，如位置、液位、温度等。
在具体应用中，如图2所示，TI的XTR116集成电路是一个典型的两线现场发送器解决方案。它包含了仪表放大器（INA）、BJT（Q1）和内置的线性稳压器（VREG）及高精度基准电压源（VREF）。INA用于提升传感器信号的增益和进行电平偏移，而XTR116则根据INA的输出来调节流经Q1的电流，确保电流输出在4-20mA之间。VREG为INA和其他内部电路提供+5V电源，VREF为电阻电桥提供稳定、低漂移的激励电压。
最大压降问题，是设计两线系统时必须面对的一个挑战。XTR116要求V+和IO之间的电源电压（VCOMPLIANCE）至少为+7.5V才能正常工作。如果环路中的总电阻（包括负载电阻和线路电阻）过高，或者电源电压不足，会导致VCOMPLIANCE低于+7.5V，如图3所示。在20mA输出电流和900Ω负载电阻的情况下，18V的压降使得电源电压只剩下+6V，低于最低要求，导致输出电流无法达到20mA，系统可能出现非线性响应。
解决最大压降问题的关键在于理解欧姆定律。根据公式(1)，输出电流（I）与环路电阻（R）的乘积不能超过电源电压（V）。因此，需要确保VCOMPLIANCE和VLOOP的总和足以支持预期的输出电流和环路电阻。在实际操作中，如果发现发送器的输出电流不再增加，应检查负载两端的电压降。如果电压降异常高，那么负载电阻可能是问题的根源。
两线4-20mA发送器的高效性和简便性使其在工业自动化中广泛使用。然而，设计时需谨慎处理最大压降问题，以确保系统的稳定性和准确性。通过合理选择环路电源电压、控制环路电阻和使用适当的集成电路，可以避免这一问题，确保两线系统的正常运行。
