Тема, которая в последнее время вызвала большой интерес и привела к появлению не менее четырех отдельных статей в разделе «Конструкторские идеи», – это преобразование тока источников 0-20 мА в стандартные сигналы промышленной токовой петли 4-20 мА. Вот список – на данный момент – в обратном хронологическом порядке. Приношу извинения, если (что вполне возможно) я пропустил одну или несколько статей.

• «Еще один до глупости простой точный преобразователь 0-20 мА в 4-20 мА» [1].
• «До глупости простой точный преобразователь 0-20 мА в 4-20 мА» [2].
• «Объедините два регулятора TL431 для создания универсального токового зеркала» [3].
• «Преобразователь тока источника 0-20 мА в ток петли 4-20 мА» [4].

Поскольку столько энергии уже было потрачено на эту сторону удачно брошенной монеты, показалось справедливым уделить немного внимания и ее противоположной стороне – функции обратного преобразования. На Рисунке 1 показан результат. Его (довольно) простая схема выполняет точное преобразование тока 4-20 мА в 0-20 мА. Вот как это работает.

В основе схемы лежит создаваемое входным током I_IN падение напряжения на резисторе R1 (V_IN = I_IN·R1), меняющееся в диапазоне от 1.24 В до 7.20 В и воспринимаемое входом опорного напряжения регулятора Z1. Принцип работы схемы рассматривался на Рисунке 1 в статье «Прецизионный программируемый источник втекающего тока» [5].

Рисунок 1.	Противоположная сторона монеты – обратное преобразование тока петли.

Результирующий ток катода регулятора Z1 изменялся бы в соответствии с формулой

по мере увеличения входного тока I_IN от 4 мА до 20 мА. Или так было бы, если бы не явление модуляции опорного напряжения V_REF напряжением катода Z1. Каскодная пара D1, Q2 значительно ослабляет этот эффект, поддерживая напряжение катода Z1 близким к нулю и постоянным. Это также расширяет предельное напряжение катода регулятора Z1 с ущербных 7 В до 30 В, определяемых транзистором Q2. Конечно, выбор другого транзистора для Q2 мог бы расширить его еще больше. Но если 30 В достаточно, то типовой коэффициент бета более 1000 транзистора 2N5089 обеспечит хорошую точность.

Усилитель тока Q1 увеличивает максимальный ток регулятора Z1 до 15 мА, одновременно уменьшая тепловые эффекты. В результате максимальная мощность, рассеиваемая Z1, снижается до единиц милливатт.

При допуске 0.1% резисторов R1 и R2 и точности ±0.5% регулятора TLV431B схема на Рисунке 1 позволяет без подстройки достигать точности лучше 1%. Если такого уровня точности все же недостаточно, можно добавить ручную подстройку после сборки, используя всего два дополнительных компонента, показанных на Рисунке 2. Калибровка выполняется за один проход.

1. Установите входной ток 4.00 мА.
2. Регулировкой потенциометра R4 установите выходной ток порядка 50 мкА. Обратите внимание, что это всего лишь 0.25% от полного диапазона, поэтому не беспокойтесь о том, чтобы достичь точно этого значения. Скорее всего, у вас это не получится.
3. Установите входной ток 20 мА.
4. Отрегулируйте R3 для получения выходного тока 20 мА.

Требуемый запас по входному напряжению составляет 8 В, а по выходному – 9 В. В наихудшем случае (ограниченном резистором) ток короткого замыкания при напряжении питания 24 В составляет 80 мА.

На Рисунках 1 и 2 читатели могут заметить конденсатор с обозначением «C_A». Это «емкость Ашу», которая, как обнаружил автор «Конструкторских идей» и эксперт по схемотехнике источников тока Ашутош Сапре, имеет важное значение для устойчивости каскодной топологии. Спасибо, Ашу!

Рисунок 2.	Потенциометры R4 и R5 позволяют выполнить точную ручную подстройку после сборки.

И заключительное замечание. Поскольку выходной масштабный коэффициент задается сопротивлением R2 и обратно пропорционален ему, то, если требуется любое значение полной шкалы, отличное от 20 мА, его легко получить соответствующим выбором сопротивления R2.

---

1. Datasheet Texas Instruments TLV431
2. Datasheet ON Semiconductor 2N5089
3. Datasheet ON Semiconductor NJW21193G