Недорогой приемник сигналов токовой петли 4-20 мА

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2017

Ken Whiteleather

Electronic Design

Благодаря устойчивости к электромагнитным помехам, создаваемым электромоторами, контакторами, реле и другими источниками, управляющие токовые петли, особенно, популярная петля 4-20 мА, применяются во многих промышленных приложениях. У стандартных технологических контроллеров часто есть выходы 4-20 мА (иногда 0-20 мА), используемые для управления скоростью, давлением, температурой и другими параметрами в системах с замкнутым контуром регулирования.

Сделать схему приемника сигнала 4-20 мА не очень сложно. Существует несколько доступных компонентов, разработанных специально для этой цели. Однако цена этих компонентов, приобретаемых в небольших количествах, оказалась несколько выше, чем я ожидал (свыше $10).

В поисках более дешевой альтернативы я обнаружил выпускаемую Texas Instruments микросхему INA134. Это исключительно универсальный дифференциальный усилитель с единичным усилением и широким диапазоном напряжений питания. Используя сдвоенную версию усилителя (INA2134) и совсем немного точных резисторов, я сделал схему приемника 4-20 мА, которая стоит меньше $2.60.

Схема на Рисунке 1 моделировалась в MultiSim 8 с использованием микросхемы INA134. (Переназначение выводов для INA2134 никаких трудностей не вызывает). Моделирование выполнялось для источника переменного тока со средним значением 12 мА, изменяющегося с частотой 10 Гц, пиковая амплитуда которого 8 мА обеспечивала размах выходного сигнала от 4 мА до 20 мА. Здесь можно использовать любое разумное значение частоты, но в типичных системах петля 4-20 мА обычно управляет медленными процессами.

Рисунок 1.	Этот вариант приемника сигнала 4-20 мА может быть более дешевым, чем схема, сделанная на доступных специализированных компонентах.

Одна из секций INA2134 используется для смещения выходного напряжения. Показанные на схеме однопроцентные резисторы и прецизионные внутренние резисторы с лазерной подгонкой микросхемы INA2134 обеспечивают достаточно точное смещение +2 В. Схема работает от одного источника питания 24 В, и это смещение ей необходимо, чтобы выходное напряжение не опускалось слишком близко к шине земли. (В технической документации указано, что выходное напряжение должно быть на 2 В выше напряжения отрицательной шины питания и на 2 В ниже напряжения положительной шины).

На резисторе 150 Ом с допуском 1%, включенном между входами усилителя, падает 0.6 В при токе 4 мА и 3 В при токе 20 мА. С учетом смещения 2 В это дает диапазон выходных напряжений то 2.6 В до 5 В (Рисунок 2). В моем устройстве это напряжение оцифровывается аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Выход АЦП подключен к небольшому микроконтроллеру, управляющему процессом преобразования.

Рисунок 2.	Выходное напряжение приемника, включая напряжение смещения 2 В, меняется от 2.6 В до 5 В.

Обратите внимание, что при изменении входного тока от 0 мА до 20 мА выходное напряжение меняется в диапазоне от 2.0 В до 5.0 В. Простой заменой резисторов разработчики могут выбрать другой выходной диапазон, подходящий для конкретного приложения. Напряжение источника питания можно увеличить до 36 В. В случае двуполярного питания (до ±18 В) смещение не требуется, и в схеме можно использовать одиночный усилитель INA134 с одним входным резистором, благодаря чему ее стоимость становится меньше $1.60.

Материалы по теме