Преобразует сигнал 4-20 мА в 0-20 мА и подает его на заземленную нагрузку без использования дополнительного источника питания.

Недавно редакция EDN любезно опубликовала мой проект микромощного преобразователя тока 4-20 мА в 0-20 мА [1]. Вскоре после этого, в лучших традициях совместной кухни Конструкторских идей, наш постоянный участник Джаяпал Рамалингам внес (неординарное!) предложение. Он отметил, что конструкция могла бы быть более полезной, если бы вместо необходимости в (пусть и очень слабом) локальном источнике питания ее переработали таким образом, чтобы она вообще не нуждалась в локальном питании. Это было хорошее замечание.

Самое сложное, конечно, заключалось в том, что это означало, что преобразователь должен был работать исключительно за счет энергии, «украденной» (более или менее незаметно, отсюда и «фантомная») из того же сигнала 4-20 мА, который он и должен был преобразовывать. Хитро. И непросто. Я долго размышлял над интригующим предложением Джаяпала, пока (в конце концов) из моего запутанного ментального тумана не вырисовалось возможное решение. На Рисунке 1 показан продукт моих туманных фантазий: преобразователь с «фантомным питанием».

Рисунок 1.

В этой схеме входной ток 4-20 мА преобразуется в выходной ток 0-20 мА, при этом питание (фантомное) осуществляется исключительно за счет входного тока. Ошибка, связанная с кражей питания, сведена к минимуму за счет повторного использования тех же 100 мкА, которые питают операционные усилители, для смещения прецизионного источника опорного напряжения Z2. Резисторы, отмеченные звездочкой, имеют точность 0.5% или лучше.

Вот как это работает. Сравнение схемы на Рисунке 1 со схемой более ранней конструкции на Рисунке 2 [1] показывает множество очевидных сходств, но критическое различие (помимо отсутствия источника питания в данном случае) заключается в способе смещения прецизионного параллельного источника опорного напряжения. В предыдущей схеме, поскольку она работала от постоянного локального напряжения питания, достаточно было простого резистора. Но здесь, если предположить, что допустимый диапазон напряжения питания петли составляет 34 В, то 80 мкА, необходимые для TLV431 при 6 В, могут превратиться в 900 мкА при 40 В, что приведет к чудовищной (и, вероятно, недопустимой) погрешности преобразования порядка 5%. Ужас!

Рисунок 2.	Схема микромощного преобразователя тока из [1].

Однако повторное использование тока повышает точность функции преобразования до I_OUT = 1.249(I_IN – 4 мА), что соответствует изменению выходного тока от 0 до 19.9 мА при изменении входного тока I_IN от 4 до 20 мА.

Незначительная погрешность в 0.5% от полной шкалы – это плата за фантомное питание. В конце концов, активные устройства, по определению, должны получать питание. И хотя точность в 0.5% не назовешь фантасмагорической, возможно, этого будет достаточно.

К другим причудливым фантомным артефактам относится ИК-светодиод, включенный последовательно с эмиттером транзистора Q2. Он предназначен не для излучения света, который мы все равно не смогли бы увидеть, а для использования его минимального прямого напряжения 1 В, чтобы компенсировать смещение выходного напряжения усилителя A2, на которое накладывается напряжение 1.24 В опорного источника Z2. Аналогичным образом, ограничениями операционного усилителя продиктовано увеличение сопротивления R1 до 249 Ом и минимального измеряемого на нем напряжения до 1 В. Это позволяет гарантировать, что синфазное напряжение усилителя OPA2244 всегда будет оставаться не менее чем на 900 мВ ниже напряжения положительной шины.

В заключение, спасибо, Джаяпал Рамалингам!

---

1. Datasheet Diodes AP4310A
2. Datasheet Texas Instruments OPA2244
3. Datasheet Diodes TLV431
4. Datasheet Vishay TZX
5. Datasheet Central Semiconductor 2N5087
6. Datasheet ON Semiconductor 2N5089