Преобразователь постоянного напряжения в токовый контур, токовая петля 4…20 мА является производственным стандартом аналоговой передачи, имеющим множество преимуществ. Устойчивость к помехам, нечувствительность к длине соединений и простота обнаружения повреждений – это лишь некоторые из них. Профессиональные сертифицированные модули преобразования постоянного напряжения в токовую петлю могут стоить целое состояние. Можно ли решить проблему проще и – главное – дешевле?
Простая реальная ситуация: промышленный контроллер имеет аналоговые входы в виде токовых контуров 4…20 мА. Этот параметр можно считать стандартным. К сожалению, оригинальный датчик температуры, работавший с этим контроллером, вышел из строя и его необходимо заменить на другой. Так получилось, что эту модель уже сняли с производства — есть аналоги от других производителей, но их цена сильно впечатляет. Гораздо проще найти датчик температуры с выходным напряжением 0…5 В. Нужно лишь согласовать выход датчика со входом контроллера.
Именно это и умеет представленная схема. Да, вы также легко можете купить готовые модули известных производителей, которые успешно выполняют эту функцию. Однако их цена достаточно высока. Так что, если конвертируемое количество не критично, вы можете использовать эту схему – простую и гораздо более дешевую. Принципиальная схема рассматриваемой системы представлена на рисунке в тексте статьи.
Входное напряжение постоянного тока подается на выводы разъема J1. С помощью потенциометра P1 оно делится до такой степени, что его значение находится в диапазоне 0…4,8 В. Таким образом, система может работать с источником напряжения 5 В и выше. Это должно быть неотрицательное напряжение, значения ниже нуля не будут обрабатываться должным образом.
Соответствующим образом разделенное напряжение подвергается фильтрации с использованием конденсатора C1 и общего сопротивления резистора R1 с выходным сопротивлением потенциометра P1. Как легко подсчитать, сопротивление, связанное с этой емкостью, может составлять максимум 260 кОм – именно такой результат будет получен, когда потенциометр P1 установлен на половину доступного диапазона регулирования. Эта фильтрация уменьшает влияние помех на преобразованный сигнал и снижает среднеквадратичное значение шума.
Следующий блок — прецизионный источник тока, реализованный на операционном усилителе US1А. Вход LM358 поддерживает потенциалы вплоть до 0 В (и даже немного ниже), поэтому не было необходимости добавлять источник питания с отрицательным напряжением. Его выход управляет базой транзистора T1 для получения падения напряжения на резисторе R4, равного разделенному входному напряжению. При используемых номиналах элементов ток, протекающий через резистор R4, будет находиться в диапазоне 0…1,6 мА.
Поскольку транзистор Т1 имеет очень большой коэффициент усиления по току, ток его коллектора равен току эмиттера с очень небольшой погрешностью. Резистор R3 нагружает выход операционного усилителя, линеаризуя работу его выходного каскада и способствуя закрытия транзистора Т1. В свою очередь резистор R2 компенсирует ток, протекающий через инвертирующий вход усилителя US1А. Его сопротивление должно быть равно тому, которое управляет неинвертирующем входом, но оно может изменяться в широких пределах, поэтому в этом отношении был принят определенный компромисс.
Почему в качестве транзистора T1 не использовался N-канальный MOSFET-транзистор? Ток его затвора почти равен нулю, поэтому ток на резисторе R4 фактически будет равен току стока. Однако собственный опыт показал, что в точной системе источника тока транзисторы могут возбуждаться время от времени, даже после использования внешних компонентов частотной компенсации. Бывает, что при подборе элементов для системы в более крупной партии окажется несколько штук, которые будут стремиться возбудиться сами собой. Биполярные транзисторы не демонстрируют такого поведения, а влияние тока базы действительно незначительно, поскольку коэффициент усиления по току такого транзистора составляет многие тысячи. Другие факторы, такие как допуск резистора и смещение операционного усилителя, вносят в систему не большую ошибку.
Кроме транзистора Т1, к тому же узлу с резистором R7 подключен и коллектор транзистора Т2, «втягивающий» дополнительный ток постоянной величины. Сила этого тока должна составлять 0,4 мА, а за ее состояние отвечает стабилизатор US2, который управляет потенциалом базы транзистора Т2 так, чтобы на последовательном соединении резистора R5 и потенциометра P2, было напряжение 2,5 В — столько же, сколько опорное напряжение стабилизатора TL431.
Коллекторные токи обоих транзисторов вызывают падение напряжения на резисторе R7. С учетом их суммы (0…1,6 мА с коллектора Т1 и 0,4 мА с коллектора Т2) можно проследить, что через резистор R1 может протекать ток в пределах 0,4…2 мА. Сопротивление R7 равно 1 кОм, поэтому падение напряжения на этом элементе составит 0,4…2 В. Это напряжение управляет вторым точным источником тока, реализованным на операционном усилителе US1B и транзистора Т3. Резистор R10 (100 Ом) должен иметь напряжение, равное напряжению на резисторе R7, чтобы ток, протекающий через него, находился в пределах 4…20 мА. Ток такой силы потечет от коллектора транзистора Т3 непосредственно на выход (разъем J2), который является выходом токовой петли.
Резистор R8 является такой же компенсацией для US1B, как резистор R2 для US1A – с той разницей, что сопротивление, «видимое» неинвертирующем входом US1B, очень четко определено и составляет 1 кОм. R9 – нагрузка выхода US1B. Также стоит упомянуть стабилитрон D1, который питает эту часть схемы напряжением примерно на 3,3 В ниже напряжения питания. Таким образом, операционный усилитель US1, питаемая непосредственно от источника питания. В частности, это касается US1B, который работает при потенциалах, близких к напряжению питания, и который должен иметь запас от положительного потенциала питания не менее 2 В. Использование диода D1 обеспечивает эту гарантию. Однако, чтобы через D1 всегда протекал ток не менее 5 мА, необходимый для его нормальной работы, катод стабилизатора US2 поляризуется через этот диод. Катодный ток US2 ограничивается резистором R6.
Схема преобразователь постоянного напряжения в токовый контур собрана на односторонней печатной плате размерами 50х40 мм. Расположения компонентов и схема сборки показаны на рисунке.
Правильно собранное устройство готово к работе после подачи питания на клеммы GND и VCC разъема J3. Питание должно быть 24 В постоянного тока, и не выше 32 В. Нижний предел обусловлен необходимостью обеспечить достаточно высокое напряжение на выходе токовой петли, чтобы сопротивление даже очень длинных соединительных проводов не смогло привести транзистор Т3 в состояние насыщения. Потребляемый ток при 24 В примерно на 10 мА превышает текущий выходной ток, поэтому он не превышает 30 мА.
Для нормальной работы схемы требуется две настройки. Первая выполняется при отсутствии подключенного входного сигнала, клеммы разъема J1 должны быть свободны. С помощью потенциометра P2 установите выходной ток на уровне 4 мА. Затем на вход (разъем J1) подать напряжение, соответствующее 100 % шкалы — т.е. 5 В или другое, но не более 250 В из-за возможности пробоя потенциометра P1 или изоляции разъема J1 (регулировку следует начинать с минимального положения ползунка P1, т.е. с положения, соответствующего замыканию его на массу ). Затем выходной ток следует установить на 20 мА с помощью потенциометра P1. Чем точнее будет выполнена регулировка, тем точнее будет преобразовано входное напряжение в ток.
Преобразователь постоянного напряжения в токовый контур не был оптимизирован по скорости. Предполагалось, что преобразованные сигналы будут иметь медленно меняющийся характер, например сигналы от датчиков температуры, уровня или массы. Основным ограничением полосы пропускания схемы является входной фильтр нижних частот, сужающий частотную характеристику примерно до 160 Гц или менее, в зависимости от положения ползунка потенциометра P1. Таким образом, также ограничивается полоса шума и пиковое значение любых помех, которые могут присутствовать во входном сигнале напряжения.