В недавней статье автора многочисленных публикаций в разделе «Конструкторские идеи» Стивена Вудворда под названием «До глупости простой точный преобразователь 0-20 мА в 4-20 мА» [1] почтенный регулятор LM337 вместе с несколькими пассивными компонентами используется в нетрадиционной конфигурации для преобразования входного тока 0-20 мА (например, от датчика с отдельным источником питания, выдающим токовый сигнал 0-20 мА) в двухпроводную токовую петлю передатчика 4-20 мА (стандартный двухвыводной промышленный источник тока).
Ниже представлен еще один «до глупости простой» способ реализации той же функции с помощью LM337. Он основан на уменьшении начального тока 4 мА до нуля пропорционально входному току 0-20 мА и добавлении к этой уменьшаемой части входного тока для создания двухпроводной выходной петли 4-20 мА. Способ базируется на другой замечательной находке Вудворда [2]. См. Рисунок 1.
 | |
| Рисунок 1. | Входной ток 0-20 мА добавляется к пропорционально уменьшаемой части 4-0 мА на выводе OUT, чтобы получить выходной ток 4-20 мА. |
Сначала представим, что входной ток равен 0 мА (входная петля разомкнута). Последовательное соединение двух цепей, состоящих из параллельного соединения R1 с «R2 + PZ» («RZ» при сопротивлении цепи 250 Ом) и параллельного соединения R3 с «R4 + PS» («RS» при сопротивлении цепи 62.5 Ом), имеющее номинальное сопротивление 312.5 Ом, устанавливает ток выходной петли, поступающий в вывод OUT и задаваемый регулировкой PZ, равным 0 мА + 4 мА (4 мА = 1.25 В/312.5 Ом).
Представим, что теперь входной ток равен 20 мА; он вытягивается из узла X и проталкивается на вывод OUT микросхемы U1. Этот ток вытекает из клеммы «+» выходной петли, создавая на резисторе RS падение напряжения 62.5 Ом × 20 мА = 1.25 В в направлении, противоположном внутреннему опорному напряжению. При правильной калибровке это уменьшает падение напряжения на RZ до нуля, и, таким образом, уменьшает до нуля и вклад первоначального тока 4 мА, поступающего в вывод OUT через резистор RZ.
Теперь ток выходной петли равен входному току 20 мА плюс 0 мА (добавленному на OUT), передаваемому из входной петли в выходную петлю от вывода OUT к выводу IN микросхемы U1. Мы преобразовали ток входного источника 0-20 мА в ток двухпроводной петли 4-20 мА. Установка тока 20 мА выполняется с помощью потенциометра PS.
Чтобы установить выходной ток с точностью 0.05% или (значительно) лучше, требуется выполнить два прохода регулировок потенциометров PS и PZ. Подстроечные резисторы должны быть многооборотными типа 3296 или аналогичными, однако подойдут и однооборотные, поскольку диапазоны регулировки обоих невелики.
Характеристики превосходные. Линейность сигналов базовой схемы от входа к выходу составляет 0.02%. При использовании небольшого радиатора кратковременная нестабильность находится в пределах 0.02%, а изменение тока петли составляет 0.05% в диапазоне напряжений от 5 В до 32 В. Точность и стабильность передачи высоки, поскольку мы не преобразуем входной сигнал, а только передаем его в выходную петлю. Дрейф опорного напряжения влияет только на базовый ток 4 мА и, следовательно, оказывает меньшее влияние на общий дрейф. Радиатор улучшает показатели дрейфа и di/dv в 3-4 раза.
Для промежуточных входных токов начальный ток 4 мА, поступающий в вывод OUT через резистор RZ, уменьшается пропорционально входному току 0-20 мА. Таким образом, при входном токе 10 мА (половинном) напряжение в узле X изменяется соответствующим образом, поддерживая на резисторе RZ напряжение 500 мВ, что обеспечивает вклад 2 мА в ток вывода OUT, по сравнению с исходными 4 мА, установленными при входном токе 0 мА. Ток выходной петли, протекающий через вывод OUT, теперь равен 12 мА (входной ток 10 мА плюс 2 мА), что также является средним значением тока петли 4-20 мА. Аналогичные рассуждения применимы и к другим соотношениям входных/выходных токов петли.
Для защиты от обратного напряжения в петле 4-20 мА рекомендуется использовать диод. Для ограничения тока короткого замыкания до безопасного уровня следует применять ограничение тока. Отличным вариантом является ограничитель тока на двух последовательных транзисторах с соответствующими значениями сопротивлений, поскольку он отличается низким падением напряжения, небольшой стоимостью, быстродействием и не склонен к генерации. Полимерный предохранитель на 40 мА с положительным температурным коэффициентом в петле защитит нагрузку от полного короткого замыкания в обеих цепях (маловероятное событие).
Исходное падение напряжения со стороны сигналя 0-20 мА составляет от –1 В до 0 В. Два диода или светодиод, включенные последовательно с клеммой «+» входной петли 0-20 мА, позволяют сделать так, чтобы для источника падение напряжения всегда было положительным.
По поводу стабильности: чтобы обеспечить низкий общий температурный дрейф, только резисторы 68 Ом (R3) и 270 Ом (R1) должны иметь допуск 1% и температурный коэффициент 25 ppm, что является существенным плюсом. Дрейф сопротивлений потенциометров, обычно больший, чем у постоянных резисторов, оказывает меньшее влияние в используемой конфигурации, где потенциометры PS и PZ, имеющие относительно большие сопротивления, контролируют лишь небольшую часть основного тока. Большие сопротивления потенциометров также помогают минимизировать влияние изменяющегося контактного сопротивления их движков.
Для базовой схемы минимальное рабочее напряжение 3 В позволяет использовать сопротивление петли до 1000 Ом при напряжении питания 24 В.
Само собой разумеется, что одна из петель будет (должна быть) плавающей. Обычно это петля источника, поскольку измерительное устройство, генерирующее ток 0-20 мА, питается от отдельного источника.