Преобразователь напряжения 1 - 5 В в сигнал токовой петли 4-20 мА

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2016

Thomas Mosteller, Linear Technology

EDN

Несмотря на давно предрекаемую смерть токовой петли 4-20 мА, этот аналоговый интерфейс по-прежнему остается наиболее распространенным способом подключения источников тока к измерительным схемам. Интерфейс требует преобразования сигнала напряжения, в типичном случае от 1 В до 5 В, в токовый выходной сигнал 4-20 мА. Строгие требования к точности диктуют необходимость использования либо дорогостоящих прецизионных резисторов, либо подстроечных потенциометров для компенсации начальной ошибки менее точных устройств.

Ни один из методов не оптимален с точки зрения современных технологий поверхностного монтажа и автоматизированного контроля. Достать прецизионные резисторы в исполнении SMD непросто, а подстроечные потенциометры требуют участия человека – условия, несовместимого с массовым производством.

Выпускаемая Linear Technology матрица LT5400, содержащая четыре точно согласованных резистора, дает возможность решить эти проблемы с помощью простой схемы, без каких-либо подстроек обеспечивающей общую погрешность менее 0.2% (Рисунок 1). Два усилительных каскада позволяют полностью использовать уникальные параметры согласования резисторов сборки LT5400. Входное напряжение 1…5 В первого каскада, в типичном случае с выхода ЦАП, поступает на неинвертирующий вход микросхемы IC_1A. Это напряжение задает ток через резистор R₁, текущий также через МОП транзистор Q₂, равный в точности V_IN/R₁. Этот же ток проходит и через резистор R₂, поэтому напряжение на нижнем по схеме выводе R₂ равно напряжению питания петли 24 В за вычетом входного напряжения.

Рисунок 1.	Высокая точность преобразования ток-напряжение обеспечивается двумя согласованными резисторами.

Точность этой части схемы определяется тремя основными источниками ошибок: качеством согласования R₁ и R₂, напряжением смещения IC_1A и утечкой закрытого транзистора Q₂. Абсолютные значения сопротивлений резисторов R₁ и R₂ некритичны, но они должны быть в точности одинаковыми. Этому требованию в полной мере отвечает самый точный в семействе LT5400 прибор – микросхема LT5400A, имеющая погрешность согласования ±0.01%. Напряжение смещения нуля микросхемы LT1490A в диапазоне температур от 0 до 70 °C составляет менее 700 мкВ. Вклад этого напряжения в ошибку составляет 0.07% при входном напряжении 1 В. Ток утечки транзистора NDS7002A равен 10 нА, хотя обычно он бывает намного меньше. Этот ток определяет ошибку в 0.001%.

Второй каскад поддерживает равенство падений напряжения на R₃ и R₂, управляя током стока Q₁. Поскольку падение напряжения на R₂ равно входному напряжению, ток, протекающий через транзистор Q₁, в точности равен входному напряжению, деленному на сопротивление резистора R₃. При использовании в качестве токоизмерительного резистора R₃ прецизионного 250-омного устройства, ток будет с высокой точностью отслеживать входное напряжение.

Источниками ошибок второго каскада будут сопротивление резистора R₃, напряжение смещения IC_1B и ток утечки Q₁. Резистор R₃ напрямую задает выходной ток, поэтому его величина имеет определяющее значение для точности всей схемы. Сопротивление 250 Ом выбрано неслучайно, поскольку именно такой номинал чаще всего используется в токовой петле. Резистор Riedon SF-2 имеет начальную точность 0.1% и низкий температурный дрейф. Так же, как и в первом каскаде, вклад напряжения смещения в общую ошибку здесь не превышает 0.07%. Ток утечки транзистора Q₁ составляет менее 100 нА, внося ошибку, не более 0.0025%.

Общая выходная ошибка без использования каких-либо подстроек получается меньше 0.2%. Основным источником ошибки является токоизмерительный резистор R₃. Воспользовавшись более качественным устройством, таким как резистор серии Vishay PLT, вы сможете получить точность 0.1%. В процессе эксплуатации выходы токовых петель подвергаются значительным перегрузкам. Диоды D₁ и D₂, подключенные к источнику питания петли 24 В и к земле, помогают защитить транзистор Q₁, в то время как R₆ обеспечивает некоторую его изоляцию. Ценой потери части выходного напряжения вы можете улучшить изоляцию, увеличив сопротивление R₆. Если техническое задание допускает использование токовой петли при выходном напряжении менее 10 В, сопротивление R₆ можно увеличить до 100 Ом, тем самым, еще больше повысив устойчивость схемы к перегрузкам. В случае, когда к защите схемы предъявляются более высокие требования, включите на выходе ограничитель бросков напряжения (супрессор), ток утечки которого, однако, станет причиной небольшой потери точности.

Из четырех согласованных резисторов сборки LT5400 в этой схеме задействованы только два. Остальные два вы можете использовать для других целей, например, для прецизионного инвертора или для еще одной токовой петли 4-20 мА. Кроме того, вы можете включить эти резисторы параллельно R1 и R2. Такой прием снижает статистический вклад ошибки согласования в корень из двух раз.

Материалы по теме