Защита от замыканий источника питания петли 4-20 мА

Токовая петля 4-20 мА состоит из источника питания и устройства измерения тока на стороне управления, а также из полевого передатчика, который воспринимает информацию о переменных процесса, таких как температура или давление, и преобразует ее в ток (Рисунок 1). Большинство промышленных токовых петель питается напряжением 24 В, но это напряжение может варьироваться от 12 до 36 В. В более старых системах напряжение петли может быть еще выше. Для многих таких приложений требуется ограничение тока, защита от коротких замыканий или и то, и другое. Например, короткое замыкание или токовая перегрузка в одной из нескольких петель, питаемых от одного источника, может привести к отказу источника питания, который отключит все подключенные к нему передатчики. С другой стороны, конструктивно безопасные петли включают в себя барьерный модуль, который ограничивает ток и напряжение преобразователя. Защищенные от сбоев источники могут добавить еще один уровень безопасности системы. Установка ограничения тока для каждой петли позволяет точно определить необходимую мощность источника питания, не завышая ее. На Рисунке 2 показан один из способов гибкой защиты от замыканий для источника питания 24 В петли 4-20 мА. Устройство также содержит схему восстановления цифрового сигнала, совмещенную с этой петлей. Микросхема IC₁ – токоизмерительный усилитель верхнего плеча с компаратором и источником опорного напряжения – воспринимает ток петли как напряжение от 8 до 40 мВ на резисторе R₁ и усиливает его в 100 раз, вырабатывая выходное напряжение в диапазоне от 0.8 до 4 В. Этот выход V_OUT может напрямую управлять внешними измерителями, самописцами и входами аналого-цифровых преобразователей.

Рисунок 1.	В промышленных приложениях широко используется базовая структура токовой петли 4-20 мА.

Делитель напряжения R₂-R₃ устанавливает выбранный порог срабатывания токовой защиты (I_FAULT) для первого внутреннего компаратора микросхемы IC₁ на уровне 0.6 В. Установка порога, равного, например, 50 мА, дает следующее соотношение сопротивлений резисторов R₂ и R₃:

откуда R₂ = 15.67 × R₃. При возникновении неисправности выход C_OUT1 переходит в состояние высокого импеданса, и резистор подтягивает его к уровню 5 В. Неинвертирующая каскадированная пара транзисторов Q₂-Q₃ обеспечивает интерфейс с высоким напряжением петли и сохраняет правильную полярность для управления затвором MOSFET Q₁. Q₁ удерживается в выключенном состоянии до тех пор, пока первый компаратор микросхемы IC₁ не будет сброшен нажатием кнопки PB₁ или другим сигналом. Стабилитрон ZD₁ предназначен для защиты затвора Q₁ от повышенного напряжения.

Рисунок 2.	Эта схема обеспечивает защиту от замыканий и восстановление цифрового сигнала для токовой петли 4-20 мА.

Микросхема IC₂ и связанные с ней цепи могут восстанавливать любую цифровую информацию, наложенную на ток петли 4-20 мА путем модуляции. Например, в протоколе HART для модуляции тока петли между уровнями ±0.5 мА обычно используется FSK (частотная манипуляция) в диапазоне от 1200 до 2400 Гц. (Для этой схемы модулированный сигнал на выходе V_OUT (вывод 2 микросхемы IC₁) составляет ±0.1 В). Сигнал с выхода V_OUT микросхемы IC₁ через емкость подается на вход операционного усилителя IC₂ и усиливается этим устройством для восстановления таких цифровых сигналов. Микросхема IC₁ содержит второй компаратор с инвертирующим входом (вывод 4), который можно использовать для компенсации инверсии цифрового сигнала на выходе IC₂. Хотя это и не обязательно, этот выход компаратора (C_OUT2) также может представлять восстановленный цифровой сигнал в виде чистых прямоугольных импульсов для управления внешними схемами.

Материалы по теме

1. Datasheet Maxim MAX4322
2. Datasheet Maxim MAX4375
3. Datasheet Intersil RFD10P03L