Журнал Радиоежегодник. Выпуск 22
Сергей Скворцов
Схема этого простого устройства была разработана несколько лет назад. С тех пор ее в различных модификациях десятки раз повторили мои коллеги по работе и знакомые. Тогда я схему оптимизировал в NI Multisim10, а сейчас решил попробовать повторить ее в TINA-TI. Оказалось, что необходимый результат может быть получен и проще, и нагляднее.
Думаю, что читателям будет интересно описание не только готового устройства, но и самого процесса разработки, сравнение нескольких альтернативных вариантов. Уверен, что схема заинтересует не только киповцев, так как в широком смысле, это – регулируемый стабилизатор постоянного тока, которому всегда найдется применение в лаборатории радиолюбителя и в практических конструкциях.
Задатчик тока 4-20 мА для наладки систем автоматизации
Стандарт «токовая петля 4-20 мА» поддерживается подавляющим большинством производителей средств промышленной автоматизации. В общем случае подключение приборов выглядит следующим образом:
 |
| Рисунок 1. |
 |
| Рисунок 2. |
Применение «токовой петли 4-20 мА» в данном случае дает два преимущества [1]. Во-первых, приведение диапазона изменения измеряемой величины к стандартному диапазону обеспечивает взаимозаменяемость компонентов. Во-вторых, становится возможным передать сигнал на большое расстояние с высокой точностью. Важно также отметить, что питание датчик получает по двухпроводной токовой петле.
При наладке или ремонте средств автоматизации наиболее эффективным решением является включение вместо датчика технологического процесса с токовым выходом специального прибора – задатчика тока 4-20 мА (см. Рисунок 2).
Сформулируем краткое техзадание: задатчик должен обеспечивать ручную установку тока в диапазоне 2.5…22.0 мА, обеспечивая его стабилизацию в двухпроводном включении при изменении питающего напряжения от 12 до 36 В и изменении нагрузки от 0 до 250 Ом [2].
Есть общеизвестная схема на популярной микросхеме регулируемого стабилизатора напряжения LM317. На Рисунке 3 она приведена из справочных данных [3].
 |
| Рисунок 3. |
На практике эту схему для регулировки тока в широком диапазоне используют редко из-за значительной нелинейности регулировочной характеристики. С помощью TINA-TI в этом можно наглядно убедиться. Соберем в схемном редакторе несложную схему:
 |
| Рисунок 4. |
Данная схема полностью соответствует схеме на Рисунке 2. Здесь:
источник напряжения V1 имитирует ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ на Рисунке 2;
амперметр АМ1 и Rнагр. – ИЗМЕРИТЕЛЬ-РЕГУЛЯТОР;
микросхема U1 c резисторами R1 и Р1 – ЗАДАТЧИК.
Резистор R1 ограничивает максимальный ток на уровне 22.37 мА, а потенциометр P1 обеспечивает необходимую регулировку тока от 2.43 мА. Перемещая красный и синий курсоры a и b, можно посмотреть и другие промежуточные значения выходного тока в зависимости от угла поворота потенциометра.
Но чтобы получить такой наглядный результат, нужно выбрать необходимый вид анализа. Для этого последовательно в появляющихся меню выбираем:
Анализ -> Анализ постоянного тока -> Переходные характеристики постоянного тока…
В открывшемся окне Переходные характеристики в поле Ввод выбираем потенциометр P1, который мы будем «вращать» от одного крайнего положения до другого. Для этого устанавливаем в соответствующих полях 0% и 100%, нажимаем ОК, и через мгновение получаем график схемного анализа.
В некоторых случаях требуется дополнительно нажать на кнопку Нормальное увеличение 
, чтобы получить более наглядное изображение.
 |
| Рисунок 5. |
Можно обратить внимание и на то, как автор схемы [4] решает проблему существенной нелинейности регулировочной характеристики задатчика тока на микросхеме LM317:
 |
| Рисунок 6. |
Для регулирования он использует два переменных резистора R2 и R3 («грубо» и «точно») различного номинала. Несомненно, схема заслуживает внимания, но, согласитесь, не всегда легко найти необходимые потенциометры конкретного номинала. Кроме того, потребуется некоторая сноровка для установки тока, например, более 15 мА.
Отдельно отмечу хорошее решение автора схемы включить собственно сам задатчик в диагональ диодного моста. Это автоматически обеспечит правильное направление протекания тока вне зависимости от полярности подключения выводов «штырь» и «крокодил».
Итак, продолжим поиск оптимального решения. Вновь обратимся к справочным данным [3] и обратим пристальное внимание на схему Регулируемого ограничителя тока:
 |
| Рисунок 7. |
Здесь на диодах D1 и D2 выполнен источник опорного напряжения около –1.22 В. Он запитан через генератор стабильного тока (около 4 мА) на полевом транзисторе 2N5640, подключенный к источнику отрицательного напряжения Vss. Регулируя потенциометром R2 часть опорного напряжения, подаваемого на вход Adjust микросхемы U1, можно линейно и в широких пределах менять выходной ток. Здесь важно, что напряжение Vref (1.25 В) микросхемы LM317 почти равно напряжению на диодах D1 и D2.
Соберем в схемном редакторе новую схему применительно к нашей задаче. Для упрощения схемы заменим источник отрицательного напряжения и полевой транзистор источником постоянного тока соответствующего направления IS1 2 мА. Вот результат анализа:
 |
| Рисунок 8. |
Как видно из графика, характеристика регулирования выходного тока получилась линейной. Да, но для работы схемы требуется дополнительный источник отрицательного напряжения, которого у нас нет… Жаль, но и эта схема не подходит.
Однако не будем спешить с выводами. Задержим наше внимание на этой схеме. Простое решение рядом…
Попутно замечу, что падение напряжения на диодах D1, D2 незначительно изменяется от протекающего через них тока… И почему бы нагрузочное сопротивление не включить последовательно с этими диодами?.. Уверен, что и вы пришли к похожему решению:
 |
| Рисунок 9. |
В данной схеме необходимое отрицательное напряжение на диодах D1, D2 формируется «автоматически» по ходу тока задатчика. Поэтому характеристика регулирования выходного тока достаточно линейна. На начальном участке графика виден небольшой отрезок, где ток не регулируется и постоянен (2.09 мА). Величина этого начального тока определяется параметрами конкретной микросхемы LM317 и на практике, как правило, не превышает 2.5 мА. Это нас вполне устраивает.
Верхний предел регулирования тока Iмакс. задается резистором R1. Он рассчитывается по простой формуле из [3]: R1 (Ом) = 1.25 (В) / Iмакс. (А). На графике видно, что значение этого параметра 22.37 мА – в модели это хорошо соответствует расчету. Значение переменного резистора Р1 может варьироваться в достаточно широких пределах. На практике с успехом использовались потенциометры от 470 Ом до 22 кОм.
С помощью TINA-TI несложно убедиться, что выполняются и другие требования техзадания, а именно, обеспечивается стабилизация тока при изменении питающего напряжения от 12 до 36 В и изменении нагрузки от 0 до 250 Ом. Но не будем торопиться ставить точку…
Нередко при использовании задатчика возникает необходимость устанавливать конкретное значение тока с точностью до единиц/десятков микроампер или, например, плавно изменять ток в небольших пределах. То есть, выполнять так называемую грубо-точную регулировку. В нашей схеме на Рисунке 9 это просто сделать установкой последовательно с потенциометром Р1 дополнительного переменного резистора с номиналом примерно в десять раз меньшим, чем у Р1. Он будет выполнять функции точной регулировки. Но не всегда переменный резистор нужного номинала есть под рукой. Тогда простым решением может быть такая схема:
 |
| Рисунок 10. |
Здесь дополнительный потенциометр Р2 («Точно») установлен параллельно Р1 («Грубо»), а напряжение в суммирующей точке на выводе ADJ микросхемы U1 формируется соответствующими весовыми резисторами R2 и R3, номиналы которых взяты в соотношении 1:10. График на Рисунке 10 показывает зависимость выходного тока задатчика при изменении угла поворота потенциометра Р2 от 0 до 100%. Р1 установлен в среднее (50%) положение. Из графика видно, что обеспечивается линейная регулировка тока в пределах ±1 мА относительно среднего положения. Диапазон регулирования Р1 («Грубо») при этой доработке изменился несущественно:
 |
| Рисунок 11. |
Использованная литература и ссылки:
- Интерфейс "токовая петля". http://www.bookasutp.ru/Chapter2_4.aspx
- Унифицированные сигналы. Методичка КонтрАвт. http://www.metodichka-contravt.ru/?id=3923
- LM317-D. Three-Terminal Adjustable Output Positive Voltage Regulator. Motorola, Inc. 1996, p. 8
- Схема генератора (задатчика) тока 4-20 мА. http://electro-hobby.ucoz.ru/load/1-1-0-14
- shadowlamer. Задатчик тока 4-20 мА. http://radiokot.ru/circuit/analog/measure/15/
- Алексей Горшенин. Имитирование сигнала 4-20 мА или история создания эксклюзивного прибора. http://kot23rus.wordpress.com/2011/03/
- В. Никулин. Лабораторный источник стабильного тока. Радиомир, 2013, № 1, с. 23-25
- John Guy. Programmable current source requires no power supply. EDN Europe, 01 Jul 2008. http://www.edn.com/design/power-management/4325377/Programmable-current-source-requires-no-power-supply
Окончание читайте здесь
