Токовая петля 4-20 мА для микроконтроллеров

Texas Instruments TL032

Токовая петля 4-20 мА широко используется в системах управления на производственных предприятиях. Дискретная логика, микропроцессоры и микроконтроллеры легко покрывают все функции цифровой части схем управления, такие как концевые выключатели, кнопки и сигнальные лампы. Но при подключении к примитивному микроконтроллеру выхода петли 4-20 мА могут возникнуть сложности. Встроенный аналого-цифровой преобразователь был бы неплохим решением, но в микроконтроллерах «эконом класса» такого устройства иногда нет. Существуют микросхемы последовательных интерфейсов 4-20 мА, но они довольно дороги и требуют программирования последовательного обмена, отнимая ресурсы микроконтроллера. Большинство микросхем самого низкого уровня не имеют выделенных последовательных портов и требуют их эмуляции на выводах общего назначения.

На Рисунке 1 представлена схема недорогой альтернативы, которая не только обеспечивает поддержку выхода 4-20 мА, но и вырабатывает цифровой сигнал обратной связи, указывающий на обрыв провода в токовой петле. Один выходной порт устанавливает ток, а один входной порт следит за обрывом провода токовой петли. Контур обратной связи, контролирующий целостность токовой петли, для работы самой токовой петли не нужен; для дальнейшей экономии затрат его можно опустить.

Эта схема обеспечивает как управление петлей 4-20 мА, так и контроль обрыва провода токовой петли.
Рисунок 1. Эта схема обеспечивает как управление петлей 4-20 мА, так и контроль обрыва провода
токовой петли.

Схема управляется выходным сигналом простого таймера микроконтроллера. Коэффициент заполнения импульсов таймера определяет выходной ток схемы. Входная RC-цепь перед первым операционным усилителем преобразует последовательность импульсов, поступающих от процессора, так что операционный усилитель интерпретирует ее как постоянное напряжение. Кроме того, схема гарантирует, что минимальное входное напряжение будет близко к 100 мВ, даже если вход находится под потенциалом земли. Это минимальное напряжение гарантирует, что цепь обратной связи первого операционного усилителя не окажется подключенной к положительной шине питания при выключении n-p-n транзистора Q1. А при использовании двуполярного питания напряжение транзистора получает дополнительную возможность опускаться ниже потенциала земли, что позволяет ему работать в активной области и не входить в ограничение.

Диапазон изменения тока схемы устанавливается эмиттерным резистором n-p-n транзистора Q1. При управляющем сигнале микроконтроллера, равном 5 В, выходной ток равен 20 мА. При заземленном входе ток составляет менее 1 мА. При коэффициенте заполнения 12.5% ток петли равен 4 мА и с увеличением коэффициента заполнения линейно увеличивается до полной шкалы. Хотя это может быть и не обязательно, в большинстве токовых петель обратный провод предпочитают заземлять. Назначение второго операционного усилителя состоит в том, чтобы образовать источник вытекающего тока, а не втекающего, каковым является первый каскад, и, кроме того, обеспечить заземление обратного провода петли. Эту функцию он выполняет совместно с p-n-p транзистором Q3, подключенным к верхней шине питания. Транзисторы Q1 и Q3 выбраны биполярными из-за их дешевизны, но используя вместо них MOSFET, характеристики схемы можно немного улучшить.

Часть этой схемы, отвечающая за контроль обрыва провода петли, позволяет микроконтроллеру узнавать о возникновении неисправности на линии. Тогда процессор может подать аварийный сигнал, произвести отключение или выполнить другие функции управления, чтобы смягчить возможные проблемы безопасности. При возникновении обрыва Q3 замыкает весь ток петли на операционный усилитель через переход база-эмиттер и резистор 680 Ом. Напряжение, падающее на резисторе 680 Ом, включает транзистор Q2, и в его коллекторной нагрузке формируется сигнал «лог. 1» для микроконтроллера. Обратите внимание, что для работы схемы индикации обрыва требуется ток не менее 1 мА, что ниже нормальных 4 мА, соответствующих «нулю» для системы управления данного типа.

Время отклика на ступенчатое изменение сигнала микроконтроллера, составляет примерно 500 мс, что приемлемо для большинства устройств, управляемых по токовой петле 4-20 мА, таких, например, как регулирующие клапаны. Если в выбранном микроконтроллере есть аналого-цифровой преобразователь, время отклика может уменьшиться на несколько порядков за счет исключения входного фильтра. В схеме с одним источником питания важен выбор операционного усилителя. Прежде всего, это должна быть микросхема, способная сохранять устойчивость при напряжениях, близких к напряжениям шин питания.

Материалы по теме

  1. Datasheet Texas Instruments TL032

EDN

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Circuit provides 4- to 20-mA loop for microcontrollers

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

27 предложений от 20 поставщиков
Операционные усилители Enhanced-JFET Lo-Pwr Low-Offset Dual
TL032CDR
Texas Instruments
9 ₽
ЭИК
Россия
TL032CDR
Texas Instruments
от 15 ₽
Зенер
Россия и страны ТС
TL032ACD
Texas Instruments
по запросу
Интерия
Россия и страны СНГ
TL032AIP
Texas Instruments
по запросу
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя