В промышленности широко распространены нагрузки, привязанные к земле. Эта схема реализует для них преобразование тока петли.

В последнее время было опубликовано несколько вариантов схем преобразователей тока 0‑20 мА в 4‑20 мА и тока 4‑20 мА в 0‑20 мА. Однако все эти схемы были ориентированы на плавающие нагрузки. Но нередко встречаются также нагрузки, привязанные к земле. Схема на Рисунке 1 решает эту альтернативную задачу, преобразуя ток 4‑20 мА в 0‑20 мА для питания заземленных нагрузок.

Рисунок 1.	Для настройки этого преобразователя тока 4-20 мА в 0-20 мА для заземленных нагрузок резисторы R4 и RB можно заменить многооборотными потенциометрами.

Как это работает? Входной ток 4‑20 мА проходит через резистор R1 и преобразуется в напряжение 0.4‑2.0 В, которое буферизуется усилителем U2A. Микросхема U1 вырабатывает опорный ток 1 мА, который подается на резистор R4 и преобразуется в напряжение 0.4 В. Этот преобразованный ток буферизуется усилителем U2B. Усилитель U2C вычитает два напряжения.

Далее, давайте посмотрим на неинвертирующий вход усилителя U2D. Здесь имеются два тока:

Один ток, идущий через резистор R_A, равен

Другой ток, идущий через резистор R_B, равен

В этих формулах:

I_IN – входной ток,
I_OUT – выходной ток,
I_REF – ток опорного источника U1.

Поскольку инвертирующий вход U2D заземлен, эти два тока должны быть одинаковыми:

где I_REF × R4 = 0.4 В, откуда

Выберем сопротивления R_B и R_C такими, чтобы R_B/R_C = 124. Подставляя значения R_A, R_B, R_C и R1 из схемы на Рисунке 1, получаем:

Следовательно,

Например, если I_IN = 20 мА,

А если I_IN = 4 мА,

Как настроить схему? В качестве резисторов R4 и R_B используйте многооборотные потенциометры. R1 должен быть прецизионным постоянным резистором 100 Ом. Отрегулируйте резистор R4 так, чтобы напряжение на нем составляло 0.4 В. Подайте на вход ток 20 мА от прецизионного источника в качестве сигнала I_IN и отрегулируйте резистор R_B так, чтобы получить выходной ток I_OUT = 20 мА. Повторите эту последовательность действий, подав на схему ток 4 мА и 12 мА.

Результаты имитационного тестирования представлены в Таблице 1.

Таблица 1.	Результаты имитационных испытаний
IIN (мА) 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 IOUT (мА) 0.44 2.56 5.06 7.56 10.1 12.6 15.1 17.6 20.1 Расчетный ток  IOUT (мА) 0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 Ошибка (%) 2.2 0.3 0.3 0.3 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5

Эти результаты показывают, что схема обеспечивает высокую точность, с ошибкой не более 0.5%, за исключением входного тока 4 мА. Погрешность и связанную с ней точность можно улучшить, выбрав высококачественные операционные усилители, такие как инструментальные усилители с пренебрежимо малым смещением и высоким коэффициентом подавления синфазного сигнала.

Транзистор Q2 в качестве меры безопасности не позволяет выходному току превысить 20 мА более чем на несколько миллиампер. Сопротивления резисторов R5, R6 и R7 должны быть одинаковыми. В качестве резистора R8 следует использовать многооборотный потенциометр. Полученная в результате возможность настройки помогает снизить выходной ток почти до нуля при входном токе 4 мА.

1. Datasheet STMicroelectronics LM124
2. Datasheet Texas Instruments LM134
3. Datasheet Analog Devices LT3010
4. Datasheet ON Semiconductor 2N5089