Схемы преобразования сигналов аналоговой токовой петли 4-20 мА в 0-20 мА могут быть горячей темой, однако нагрев самих этих схем при работе – явление нежелательное.
В последнее время горячо обсуждается разработка схем преобразования аналоговых сигналов токовой петли 4-20 мА, повсеместно используемых в системах мониторинга и управления технологическими процессами, в сигналы 0-20 мА. «Горячая тема» – это идеальное определение, поскольку типичные примеры таких преобразователей могут рассеивать до полуватта. Некоторые нагреваются еще сильнее! Это приводит к некоторым весьма неэкологичным проблемам, например, к необходимости использования мощных транзисторов в корпусе TO-220, оснащенных массивными радиаторами. Одобрила бы это Грета Тунберг? Думаю, нет!
Конструкция, показанная на Рисунке 1, предоставляет интересную (и, возможно, даже полезную) возможность повышения КПД. Она экономно использует бóльшую часть входного тока 4-20 мА для получения выходного тока 0-20 мА, потребляя при этом микроамперы от собственного источника питания. Она потребляет всего 250 мкА × 24 В = 6 мВт (типичное значение), и лишь сопоставимые несколько милливатт рассеиваются транзистором Q2 – наиболее близким аналогом проходного транзистора. Этого недостаточно даже для того, чтобы сделать теплым корпус TO-92.
 | |
| Рисунок 1. | Работа данной схемы описывается формулой (1). Максимальный ток, потребляемый от локального источника питания V+, составляет всего 1/80 от максимального выходного тока IOUT, что увеличивает КПД в 80 раз. Резисторы, отмеченные звездочкой, имеют точность 0.5 % или лучше. |
Вот как это работает.
Входной ток петли 4-20 мА (99.95% от него, если быть точным) проходит через токоизмерительный резистор R1 и далее в нагрузку, создавая на нем падение напряжения от 200 мВ до 1 В при изменении входного тока IIN от 4 до 20 мА. Преобразователь напряжение-ток, состоящий из элементов R1, A1 и Q1, преобразует этот сигнал в ток коллектора транзистора Q1
который является входным током преобразователя ток-напряжение (R5, A2, Q2, R4), создающим на резисторе R5 напряжение от 0.5 до 2.5 В. Усилитель A2 сравнивает это напряжение с напряжением 2.50 В внутреннего опорного источника A3, заставляя транзистор Q2 открываться настолько, чтобы сумма напряжений VR4 + VR5 составляла 2.5 В.
Таким образом, ток коллектора транзистора Q2
и линейно уменьшается от 4 мА до нуля по мере увеличения IIN от 4 до 20 мА. В итоге транзистор Q2 вынужден вычитать ток, линейно уменьшающийся от 4 до 0 мА, из входного тока IIN, так что его диапазон от 4 до 16 мА преобразуется на выходе в диапазон тока IOUT от 0 до 20 мА. Другими (математическими) словами:
 | (1) |
В результате 98.8% выходного тока IOUT обеспечивается за счет рециркуляции входного тока IIN, а не потребляется заново от источника V+.
Величина напряжения V+ некритична и лишь должна быть достаточной для соответствия требованиям (заземленной) нагрузки. Резистор R3 должен обеспечивать смещение 50 мкА для вывода 3 параллельного источника опорного напряжения A3, поэтому для V+ = 24 В
Некритичный стабилитрон Z1 обеспечивает транзисторам запас по напряжению в несколько вольт. Общее падение напряжения от входа до выхода составляет 5.6 В.
И, наконец, есть один нюанс. В случае полной потери номинального входного тока 4-20 мА усилитель A2 переведет транзистор Q2 в состояние насыщения. Это ничему не повредит, но заставит усилитель A2 потреблять 5 мА от источника V+ для обеспечения необходимого тока базы транзистора Q2.