Термин «токовая петля 4‑20 мА» популярен среди инженеров-электронщиков, работающих в измерительной и обрабатывающей отраслях. Полевые датчики давления, температуры, расхода и т. д. выдают токовые сигналы 4‑20 мА, соответствующие параметрам процесса.
Для мониторинга, регистрации и управления этими параметрами процесса промышленное оборудование, такое как пультовые помещения (расположенные на расстоянии от полевых объектов), будет содержать распределенную систему управления (РСУ) или программируемый логический контроллер (ПЛК). Это оборудование будет по одному проводу подавать на типичный датчик постоянное напряжение 24 В и по другому проводу получать ток, пропорциональный параметру процесса.
Обычно для подключения напряжения питания и земли требуется два провода, и еще два необходимы для подключения токового сигнала. Таким образом, двухпроводная система сокращает стоимость кабеля на 50%. Следовательно, все полевые устройства в обрабатывающей промышленности должны быть приспособлены к этой двухпроводной системе. РСУ/ПЛК должны получать ток в диапазоне от 4 до 20 мА. Нулевой ток указывает на обрыв кабеля.
Тем не менее, существует оборудование, например, газоанализаторы, которые выдают обычный выходной ток 0‑20 мА. Для подачи в пультовую РСУ/ПЛК эти сигналы должны быть преобразованы в формат тока петли 4‑20 мА.
Схема на Рисунке 1 делает именно это.
 | |
| Рисунок 1. | Схема модуля преобразователя тока источника 0–20 мА в ток петли 4–20 мА. Для точной настройки потенциометры RSPAN и RZERO могут быть многооборотными с выводами для монтажа на печатную плату. Транзистор Q1 должен быть установлен на радиатор. |
Как это работает
Подключите источник питания 24 В, цифровой амперметр и нагрузочный резистор к разъему J2, как показано на Рисунке 1.
Затем подключите генератор тока к разъему J1. Этот ток протекает через резистор R3 и преобразуется в напряжение.
Выходное напряжение усилителя U1B равно этому напряжению, умноженному на выражение (1 + (R10/R11)), которое почти равно единице. Назовем это напряжение VSPAN. Выходное напряжение регулятора U3 назовем VREG. Соответствующие токи обозначим ISPAN и IREG.
Через узел на выводе 3 усилителя U1A походят три тока. Проанализируем основные соотношения для этой цепи:
Третий ток, проходящий через резистор R4, равен:
Сумма токов узла на выводе 3 микросхемы равна:
В этой схеме отношение R4/R6 выбрано равным 99, поэтому:
Усилитель U1A и транзистор Q1 в замкнутом контуре управления стабилизируют ток через резистор R6 в соответствии с приведенной выше формулой. Регулятор U3 понижает входное напряжение 24 В до стабилизированных 5 В, необходимых для работы схемы.
Резистор R12 обеспечивает небольшой ток нагрузки регулятора. Элементы Q2 и R1 ограничивают выходной ток на уровне примерно 26 мА.
Как откалибровать эту схему
- Подключите источник питания 24 В к разъему J2 через нагрузочный резистор 200 Ом и цифровой амперметр, как показано на Рисунке 1. Подключите генератор тока к разъему J1, как показано на том же рисунке.
- Сохраняйте ток равным нулю. Регулировкой потенциометра RZERO установите ток IOUT равным 4 мА.
- Теперь подайте от генератора ток 20 мА. Регулировкой потенциометра RSPAN установите ток IOUT равным 20 мА.
- Повторите настройки несколько раз, чтобы получить правильные значения. Теперь этот преобразователь тока откалиброван.
Как повысить точность
Эта схема обеспечивает точность лучше 1%. Для повышения точности выбирайте компоненты с более строгими допусками номиналов.
После регулятора U3 можно добавить микросхему источника опорного напряжения 2.5 В. Подключите R2 и RZERO к этому опорному напряжению. Тогда сопротивление резистора R2 будет равно 50 кОм, а RZERO – 20 кОм.
На Рисунке 2 показано, как этот модуль преобразователя тока подключается между полевым передатчиком и пультовой РСУ/ПЛК. Убедитесь, что в линии, ведущей к полевому передатчику, установлен подходящий ограничитель перенапряжений.
 | |
| Рисунок 2. | Блок-схема, показывающая подключение преобразователя тока к промышленному оборудованию. |
Для этого модуля не требуется отдельный источник питания. Его можно размещать в полевых условиях рядом с оборудованием, выдающим ток от 0 до 20 мА.