Гальванически (то есть оптически или электромагнитно) изолированные токовые петли 4-20 мА обеспечивают надежную помехоустойчивость и позволяют создавать длинные кабельные трассы. Их преимущества в сочетании c простым неэкранированным двухпроводным подключением делают этот почтенный стандарт популярным для передачи аналоговых данных в зашумленных промышленных средах. К сожалению, преобразование выходного аналогового напряжения в изолированный сигнал токовой петли относительно сложно. При этом, как правило, в дополнение компонентам изоляции сигнала требуется несколько плавающих источников питания.
Для недорогой реализации оптической изоляции в передатчике токовой петли 4-20 мА на Рисунке 1 используется необычный прием: работа четырехканального диодно-транзисторного оптрона (PS2501-4) в линейном режиме. В большинстве случаев это было бы сомнительной идеей, поскольку отклик диодно-транзисторного оптрона обычно очень нелинеен и зависит от температуры, что делает его несовместимым с требованиями точной передачи аналоговых данных.
 |
||
| Рисунок 1. | Обратная связь, точно дублирующая режимы работы элементов U2 и контролирующая их рабочие точки, позволят этому оптически изолированному передатчику токовой петли точно транслировать аналоговые данные. |
|
Устранение этого недостатка для достижения адекватной аналоговой точности при использовании компонентов такого класса требует решения двух задач:
- Компенсации нелинейности и температурного коэффициента за счет применения многоканального оптрона и обратной связи, согласующей режимы работы его элементов.
- Скрупулезного дублирования и отслеживания рабочих точек (напряжений и токов смещения) опорных элементов.
Первое достигается путем согласования оптопары U2c с оптопарами U2a, U2b и U2d. U2c является частью петли обратной связи операционного усилителя U1, благодаря которой ток светодиода I3 = IIN. Поскольку все четыре светодиода в U2 включены последовательно, через светодиоды оставшихся трех оптронов текут такие же токи, создающие одинаковые токи фототранзисторов. Таким образом,
I1 = I2 = I3 = I4 = IIN,
где IIN может изменяться в диапазоне от 0 до 5.33 мА.
Однако это равенство зависит не только от степени физического соответствия четырех каналов U2, но и от согласования их напряжений смещения, что является второй задачей, которая требует решения в этом проекте. Эта цель достигается за счет равенства порогового уровня 1.25 В усилителя U1 опорному напряжению 1.25 В регулятора U4.
Остальные элементы схемы включают калибровочные потенциометры для установки минимального (4 мА) и полного (20 мА) значений шкалы выходных токов, а также цепи, дающие возможность выбора между внешним источником питания петли (пассивный режим) или DC/DC преобразователем U3 (активный режим). Ток петли равен
ISUM = 3(IIN + IMIN) = (0 … 16 мА) + 4 мА = 4 … 20 мА
