在工業自動化領域中，4-20 mA 電流迴路（Current Loop） 幾乎是感測器與 PLC 之間最穩定、最耐干擾的訊號傳輸方式。
雖然現在許多工廠逐漸導入 Industrial Ethernet、IO-Link 與數位通訊，但在壓力、流量、溫度與製程控制現場，4-20 mA 依然是最主流的訊號標準。
本文將以 Texas Instruments 的 XTR116、DKS-ADPT-01 轉接板、BD139 功率電晶體、100 Ω 負載電阻（Burden Resistor），以及具備差動示波器輸入的 Digilent Analog Discovery 為例，深入解析：
- XTR116 展示了兩線式（Two-Wire）4-20 mA 傳送器如何在感測器端電路與電流迴路之間建立橋接。
- 兩線式傳送器並不是獨立的電流源。它是透過控制外部通道電晶體 (Pass Transistor) 的導通狀態，來調變迴路電流。
- 此架構本質上是一種以硬體實現的轉換函數（Transfer Function）：
IOUT = 100 × (VIN / RIN)
- 最低迴路電流永遠不會是 0 mA。這代表感測器與訊號處理電路可使用的電流存在明確上限。
- 傳送器並未提供感測器端與迴路端之間的電氣隔離（Galvanic Isolation）。使用桌上型電源或示波器探棒時，須避免誤將兩側 Ground 短接。
- 傳送器同時透過 4-20 mA 迴路取得供電並輸出訊號。系統大約需要 9 VDC 的恒流輸出電壓 (Compliance Voltage)，才能維持傳送器與感測器端電路正常工作。進行類比系統除錯時需特別注意。
類比 4-20 mA 迴路傳送器具備哪些功能？
Texas Instruments 的 XTR116（如圖 1 所示）作為類比電流迴路傳送器的代表範例。
類比 4-20 mA 傳送器經過高度整合，可大幅降低外部電路需求。理解其功能時，建議從 IC 內部往外觀察：先看感測器端（Sensor-Facing Side），再看輸出端（Loop Output Side）。可參考 Datasheet Block Diagram，如圖 2 所示。
感測器端功能（Sensor-Facing Functionality）
-
VDC 穩壓輸出:
這是一項非常重要的功能，可讓感測器端直接透過電流迴路取得供電。
這也是低功耗感測器能夠僅使用兩條線運作的關鍵。 -
高精度 4.096 VDC 電壓基準:
XTR116 的 UA 版本具備 ±0.05 % 精度（UA + SHE Variant）和 ±20 ppm/°C 溫度係數。
功能上等同於在傳送器內建一顆高精度電壓基準，例如 LM4132。 -
運算放大器（Operational Amplifier）:
此 Op Amp 為電流感測迴路的一部分。
由圖 2 可知，輸出電流計算公式為：IOUT = 100 × (VIN / RIN)
輸出端功能（Output-Facing Functionality）
- 通道電晶體 (Pass Transistor):
由於功耗問題，通道電晶體無法整合於小型 SOIC-8 封裝內，例如：- 供電電壓 = 24 VDC
- 負載電阻 = 100 Ω
- 輸出電流 = 20 mA
在此條件下：
- 負載電阻壓降為 2 VDC
- 電晶體壓降約為 22 VDC
其持續耗散功率為：
22V × 20mA = 0.44W
因此原型設計可使用 BD139 或 TIP41 等元件。正式量產時通常會改為 SMD 功率元件。
但需特別注意：
此電晶體工作於線性區域 (Linear Region)，會持續耗散大量功率。
讀者可自行計算當外部供電提升至 40 VDC 時的最壞情況功耗。
- 外部電路亦需加入突波保護。常見包括 TVS 二極體 和 去耦電容。
部分設計還會加入二極體電橋 - 這能讓兩線式電流迴路不再具有極性相依性，簡化現場安裝。
技術提示: 4.096 VDC 為 2 的冪次，非常適合搭配 12-bit DAC 使用：
4.096V / 4096 = 0.001V per bit
感測器端的浮動接地 Floating Ground
仔細觀察圖 2 的框圖可發現：
- 感測器端電流迴路 Pin 3 與輸出端電流 Pin 4 並非直接連接
這表示 XTR116 設計上允許感測器端為浮動接地，例如沒有直接與 24V 迴路、接地、甚至迴路地線相關連接。這在測試平台上非常重要，因為必須避免意外將迴路端互相短接。
但需特別強調，XTR116 並未提供感測器端和輸出端之間的電隔離。由圖 2 可看到 25 Ω電阻器位於 Pin 3 和 Pin 4 之間
DigiKey 電路示範
圖 3 的電路用於XTR116 類比電流傳送器的示範，系統包括：
- XTR116 安裝於 DigiKey DKS-ADPT-01 轉接板
- LED 接至 5V 直流穩壓器的輸出端，用來模擬約 3 mA 的恆定負載，代表感測器與類比訊號處理相關的耗流
- 使用 BD139 NPN 作為導通元件
- Digilent Analog Discovery 同時作為訊號產生器與示波器
- 0 至 2.5 VDC 驅動訊號接至 TP1
- 輸出訊號於 TP2 監測
- 測試訊號透過 10 kΩ 電阻注入輸入電流腳（Pin 2）
- 使用 100 Ω 負載電阻將電流轉換為電壓。此 100 Ω 電阻每 mA 的迴路電流產生 100 mV 的電壓，例如，20mA 的迴路電流會產生 2.0 VDC 的電壓。
技術提示: Digilent Analog Discovery 具備差動示波器輸入。
這對本實驗非常實用，因為能在不誤短路：
- XTR116 Current Return（Pin 3）
- 與 Current Loop Output（Pin 4）
的情況下進行量測。
圖 1 中 橘色 Probe 為 Channel 1，藍色 Probe 為 Channel 2
DigiKey 電路測試結果
結果如圖 4 所示，可觀察到：
- 訊號產生器設定為 0 至 2.0 VDC 鋸齒波形
- 實驗驗證 Datasheet 所述：IOUT = 100 × (VIN / RIN)
- 輸入和輸出波形大致維持線性， 但最低電流區域出現不連續。
此低電流區的不連續性主要來自約 3 mA 的恆定 LED 電流引起的。這種設計選擇可以防止迴路電流降至零。
技術提示: XTR116 包含一個與 7805 功能類似的線性穩壓器。在本應用中，電壓被送至 LED。 LED 的電流會回到電流返回接腳（接腳 3）。此 LED 電流與流經功率電晶體的電流相加。
最小迴路電流由 XTR116 的靜態電流加上流經穩壓器和電壓基準（Pin 8 和 Pin 1）的任何電流決定。迴路電流始終不為零。
最小恒流輸出電壓 Minimum Compliance Voltage 測試
由於內建 5V 線性穩壓器，XTR116 需要最低工作電壓。規格書指出最小恒流輸出電壓約為 9VDC。
測試方法如下：
- 將輸入電壓設定為恆定 20mA 迴路電流
- 持續降低 24V 電源電壓
- 同時監測 5VDC 輸出 (Pin 8）和 20mA 輸出電流
結果顯示：
- 當迴路電源電壓降至 9.5V 時，5V 穩壓器輸出開始下降
- 降至 8.0V 時，迴路電流發生故障
請注意: 本測試未納入圖 3 中負載電阻壓降。
但實際系統中，測試結果：
- 高度依賴 PLC 負載電阻值
- 受到與負載電阻串聯連接的線材壓降影響
現場應用意涵
- 傳送器並非獨立電流源，而是透過通道電晶體調變迴路電流
- 若沒有外部 24V 供電電壓 ，系統無法運作
- 即便感測值為零，也不應預期迴路電流為 0 mA。因為感測器與放大器必須從迴路中取得能量
- 若迴路無法達到 20 mA，
- 先確認 24V電源電壓是否穩定
- 再檢查各節點電壓降
- 異常壓降通常來自：
- 負載電阻或高阻抗連接
- 最後可使用製程儀表取代實際電路，確認問題是否來自：
- 感測器或被測物理系統
- 請務必查看這份工業控制和自動化設備故障排除指南。
延伸學習
相同的 TI XTR116 亦可在圖 5 的 MIKROE Click Board 中找到（左側插槽）。
雖然超出本文範圍，但建議讀者進一步研究從 SPI 輸入到 4-20 mA 電流環輸出的完整訊號鏈：
- Analog Devices ADuM1411 4 路數位隔離器
- Microchip MCP4921 12-bit SPI 類比轉換器
- Texas Instruments XTR116 4-20 mA 電流發送器
此外，請務必檢查圖 6 所示的輸出部分。此部分包含必要的保護電路，例如濾波電容和 TVS 二極體。它還包含一個可選的橋式二極體。由於雙線電流迴路不再受極性限制，因此使用橋式二極體非常方便。
