Digitrode
цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы
Тестер токовой петли 4-20 мА своими руками
Датчики являются неотъемлемой частью любой измерительной системы, поскольку они помогают преобразовывать параметры реального мира в электронные сигналы, которые могут быть поняты машинами. В промышленной среде обычно используемым типом датчиков являются аналоговые датчики и цифровые датчики. Цифровые датчики обмениваются данными по протоколам, такими как USART, I2C, SPI и т. д. Аналоговые датчики могут обмениваться данными через переменный ток или переменное напряжение.
Многие из нас должны быть знакомы с датчиками, которые выдают переменное напряжение, такими датчик газа MQ, датчик изгиба и т. д. Эти аналоговые датчики напряжения соединены с преобразователями напряжения в ток для преобразования аналогового напряжения в аналоговый ток, чтобы стать датчиком переменного тока.
Такой датчик переменного тока работает по протоколу токовой петли 4-20 мА, то есть датчик выдает 4 мА, когда измеренное значение равно 0, и выдает 20 мА, когда измеренное значение является максимальным. Если выходной сигнал датчика меньше 4 мА или более 20 мА, это может рассматриваться как состояние неисправности. Датчик выводит ток по витой паре, позволяя и электропитанию, и данным проходить только через 2 провода. Наименьшее или нулевое значение составляет 4 мА. Это связано с ситуацией, когда выходной сигнал равен нулю или 4 мА, то он все равно может питать устройство. Кроме того, поскольку сигнал передается в виде тока, его можно отправлять на большие расстояния, не беспокоясь о падении напряжения из-за сопротивления провода или о помехоустойчивости.
В промышленности калибровка датчика является обычным процессом, и для калибровки системы, а также для устранения ошибок, проводится проверка токовой петли. В тестировании токовой петли используется процесс проверки, который проверяет обрыв линии связи. Он также проверяет выходной ток передатчика. В этом проекте мы создадим базовый тестер токовой петли, использующий несколько компонентов, который позволяет вручную регулировать ток от 4 мА до 20 мА, поворачивая потенциометр. Эта схема может использоваться как фиктивный датчик для эмуляции или для отладки.
Давайте рассмотрим важные компоненты, используемые в этом проекте. На изображении ниже показан PNP-транзистор BC557.
Это один из самых распространенных трехвыводных PNP-транзисторов. BC557 является идентичной парой NPN BC547. Другие эквивалентные транзисторы BC556, BC327, 2N3906 и т. д.
Операционный усилитель (ОУ), используемый здесь (JRC4558), следует той же схеме выводов, что и другие популярные типы ОУ. Контакт 1, контакт 2, контакт 3 используются для одного канала операционного усилителя, а контакты 5, 6, 7 – для другого канала. Любой канал может быть использован для этого проекта. 8-й контакт – это источник положительного питания, а 4-й – заземление. Здесь ОУ JRC4558D используется для этого проекта, но другие операционные усилители также будут работать. Такие как, как – TL072, LM258, LM358 и т. д.
Следующий компонент в списке деталей – потенциометр на 50 кОм от Bourns. Наименование компонента: 3590S-2-503L. Тем не менее, это немного дорогостоящий компонент. Лучше всего подходит для этой цели 10-оборотный потенциометр, но другие универсальные потенциометры также могут работать очень хорошо. Разница в том, что разрешение будет меньше с обычным потенциометром, из-за чего приращение или уменьшение источника тока не будет плавным. Распиновка потенциометра Bourns немного запутана по сравнению со стандартными распиновками потенциометра. На изображении ниже первый вывод слева – это выход потенциометра. Нужно быть осторожным при подключении этого потенциометра в любом приложении.
Полная принципиальная схема для тестера токовой петли 4-20 мА показана далее.
Как видите, схема довольно простая, она состоит из операционного усилителя, который управляет транзистором. Выходной ток от транзистора подается на светодиод, этот выходной ток может варьироваться от 0 мА до 20 мА путем изменения потенциометра и может измеряться амперметром, подключенным, как показано выше.
Операционный усилитель предназначен для использования в качестве источника тока с отрицательной обратной связью. Входное переменное напряжение подается на неинвертирующий вывод операционного усилителя с помощью потенциометра. Максимальный выходной ток (в данном случае 20 мА) устанавливается с помощью резистора, подключенного к инвертирующему выводу операционного усилителя. Теперь, основываясь на напряжении, подаваемом на неинвертирующий вывод, операционный усилитель смещает транзистор для подачи постоянного тока через светодиод. Этот постоянный ток будет поддерживаться независимо от значения сопротивления нагрузки, действующего как источник тока. Этот тип усилителя называется транскондуктивный усилитель. Схема проста и может быть легко собрана на макетной плате.
Здесь светодиод действует как нагрузка, а токовая петля обеспечивает необходимый ток для нагрузки. Ток нагрузки подается от BC557, который непосредственно находится под контролем операционного усилителя 4558. На положительном входе усилителя, опорное напряжение предоставляется с помощью потенциометра. В зависимости от опорного напряжения, операционный усилитель обеспечивает ток смещения на базу транзистора. Дополнительный последовательный резистор добавляется через потенциометр для ограничения опорного напряжения, а также выхода усилителя, создавая тем самым границу изменения тока от 0 мА до 20 мА. Изменение значения этого резистора также изменяет границу минимального и максимального тока на выходе.
Как только цепь будет собрана, подайте на нее питание с использованием регулируемого источника питания 5 В.
Для проверки схемы можно использовать мультиметр в ампер-режиме и подключить его щупы вместо амперметра, показанного на принципиальной схеме. Когда вы изменяете значение потенциометра, можно заметить, что значение тока на мультиметре варьируется от 4 мА до 20 мА.
Основное применение тестера токовой петли 4-20 мА – это тестирование или калибровка устройств ПЛК, которые работают по протоколу 4-20 мА и предоставляют данные в зависимости от тока. Следовательно, неправильная калибровка привела бы к появлению ошибки, воспринимаемой ПЛК. Устройством обеспечивается не только калибровка, но и удобный процесс проверки обрыва токовой петли.
Источник
Программа TINA-TI и моделирование электрических схем. Задатчик тока 4-20 мА для наладки систем автоматизации. Часть 1
Схема этого простого устройства была разработана несколько лет назад. С тех пор ее в различных модификациях десятки раз повторили мои коллеги по работе и знакомые. Тогда я схему оптимизировал в NI Multisim10, а сейчас решил попробовать повторить ее в TINA-TI. Оказалось, что необходимый результат может быть получен и проще, и нагляднее.
Думаю, что читателям будет интересно описание не только готового устройства, но и самого процесса разработки, сравнение нескольких альтернативных вариантов. Уверен, что схема заинтересует не только киповцев, так как в широком смысле, это – регулируемый стабилизатор постоянного тока, которому всегда найдется применение в лаборатории радиолюбителя и в практических конструкциях.
Задатчик тока 4-20 мА для наладки систем автоматизации
Стандарт «токовая петля 4-20 мА» поддерживается подавляющим большинством производителей средств промышленной автоматизации. В общем случае подключение приборов выглядит следующим образом:
 |
| Рисунок 1. |
 |
| Рисунок 2. |
Применение «токовой петли 4-20 мА» в данном случае дает два преимущества [1]. Во-первых, приведение диапазона изменения измеряемой величины к стандартному диапазону обеспечивает взаимозаменяемость компонентов. Во-вторых, становится возможным передать сигнал на большое расстояние с высокой точностью. Важно также отметить, что питание датчик получает по двухпроводной токовой петле.
При наладке или ремонте средств автоматизации наиболее эффективным решением является включение вместо датчика технологического процесса с токовым выходом специального прибора – задатчика тока 4-20 мА (см. Рисунок 2).
Сформулируем краткое техзадание: задатчик должен обеспечивать ручную установку тока в диапазоне 2.5…22.0 мА, обеспечивая его стабилизацию в двухпроводном включении при изменении питающего напряжения от 12 до 36 В и изменении нагрузки от 0 до 250 Ом [2].
Есть общеизвестная схема на популярной микросхеме регулируемого стабилизатора напряжения LM317. На Рисунке 3 она приведена из справочных данных [3].
 |
| Рисунок 3. |
На практике эту схему для регулировки тока в широком диапазоне используют редко из-за значительной нелинейности регулировочной характеристики. С помощью TINA-TI в этом можно наглядно убедиться. Соберем в схемном редакторе несложную схему:
 |
| Рисунок 4. |
Данная схема полностью соответствует схеме на Рисунке 2. Здесь:
источник напряжения V1 имитирует ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ на Рисунке 2;
амперметр АМ1 и Rнагр. – ИЗМЕРИТЕЛЬ-РЕГУЛЯТОР;
микросхема U1 c резисторами R1 и Р1 – ЗАДАТЧИК.
Резистор R1 ограничивает максимальный ток на уровне 22.37 мА, а потенциометр P1 обеспечивает необходимую регулировку тока от 2.43 мА. Перемещая красный и синий курсоры a и b , можно посмотреть и другие промежуточные значения выходного тока в зависимости от угла поворота потенциометра.
Но чтобы получить такой наглядный результат, нужно выбрать необходимый вид анализа. Для этого последовательно в появляющихся меню выбираем:
Анализ -> Анализ постоянного тока -> Переходные характеристики постоянного тока…
В открывшемся окне Переходные характеристики в поле Ввод выбираем потенциометр P1, который мы будем «вращать» от одного крайнего положения до другого. Для этого устанавливаем в соответствующих полях 0% и 100%, нажимаем ОК, и через мгновение получаем график схемного анализа.
В некоторых случаях требуется дополнительно нажать на кнопку Нормальное увеличение 
, чтобы получить более наглядное изображение.
 |
| Рисунок 5. |
Можно обратить внимание и на то, как автор схемы [4] решает проблему существенной нелинейности регулировочной характеристики задатчика тока на микросхеме LM317:
 |
| Рисунок 6. |
Для регулирования он использует два переменных резистора R2 и R3 («грубо» и «точно») различного номинала. Несомненно, схема заслуживает внимания, но, согласитесь, не всегда легко найти необходимые потенциометры конкретного номинала. Кроме того, потребуется некоторая сноровка для установки тока, например, более 15 мА.
Отдельно отмечу хорошее решение автора схемы включить собственно сам задатчик в диагональ диодного моста. Это автоматически обеспечит правильное направление протекания тока вне зависимости от полярности подключения выводов «штырь» и «крокодил».
Итак, продолжим поиск оптимального решения. Вновь обратимся к справочным данным [3] и обратим пристальное внимание на схему Регулируемого ограничителя тока:
 |
| Рисунок 7. |
Здесь на диодах D1 и D2 выполнен источник опорного напряжения около –1.22 В. Он запитан через генератор стабильного тока (около 4 мА) на полевом транзисторе 2N5640, подключенный к источнику отрицательного напряжения Vss. Регулируя потенциометром R2 часть опорного напряжения, подаваемого на вход Adjust микросхемы U1, можно линейно и в широких пределах менять выходной ток. Здесь важно, что напряжение Vref (1.25 В) микросхемы LM317 почти равно напряжению на диодах D1 и D2.
Соберем в схемном редакторе новую схему применительно к нашей задаче. Для упрощения схемы заменим источник отрицательного напряжения и полевой транзистор источником постоянного тока соответствующего направления IS1 2 мА. Вот результат анализа:
 |
| Рисунок 8. |
Как видно из графика, характеристика регулирования выходного тока получилась линейной. Да, но для работы схемы требуется дополнительный источник отрицательного напряжения, которого у нас нет… Жаль, но и эта схема не подходит.
Однако не будем спешить с выводами. Задержим наше внимание на этой схеме. Простое решение рядом…
Попутно замечу, что падение напряжения на диодах D1, D2 незначительно изменяется от протекающего через них тока… И почему бы нагрузочное сопротивление не включить последовательно с этими диодами. Уверен, что и вы пришли к похожему решению:
 |
| Рисунок 9. |
В данной схеме необходимое отрицательное напряжение на диодах D1, D2 формируется «автоматически» по ходу тока задатчика. Поэтому характеристика регулирования выходного тока достаточно линейна. На начальном участке графика виден небольшой отрезок, где ток не регулируется и постоянен (2.09 мА). Величина этого начального тока определяется параметрами конкретной микросхемы LM317 и на практике, как правило, не превышает 2.5 мА. Это нас вполне устраивает.
Верхний предел регулирования тока Iмакс. задается резистором R1. Он рассчитывается по простой формуле из [3]: R1 (Ом) = 1.25 (В) / Iмакс. (А). На графике видно, что значение этого параметра 22.37 мА – в модели это хорошо соответствует расчету. Значение переменного резистора Р1 может варьироваться в достаточно широких пределах. На практике с успехом использовались потенциометры от 470 Ом до 22 кОм.
С помощью TINA-TI несложно убедиться, что выполняются и другие требования техзадания, а именно, обеспечивается стабилизация тока при изменении питающего напряжения от 12 до 36 В и изменении нагрузки от 0 до 250 Ом. Но не будем торопиться ставить точку…
Нередко при использовании задатчика возникает необходимость устанавливать конкретное значение тока с точностью до единиц/десятков микроампер или, например, плавно изменять ток в небольших пределах. То есть, выполнять так называемую грубо-точную регулировку. В нашей схеме на Рисунке 9 это просто сделать установкой последовательно с потенциометром Р1 дополнительного переменного резистора с номиналом примерно в десять раз меньшим, чем у Р1. Он будет выполнять функции точной регулировки. Но не всегда переменный резистор нужного номинала есть под рукой. Тогда простым решением может быть такая схема:
 |
| Рисунок 10. |
Здесь дополнительный потенциометр Р2 («Точно») установлен параллельно Р1 («Грубо»), а напряжение в суммирующей точке на выводе ADJ микросхемы U1 формируется соответствующими весовыми резисторами R2 и R3, номиналы которых взяты в соотношении 1:10. График на Рисунке 10 показывает зависимость выходного тока задатчика при изменении угла поворота потенциометра Р2 от 0 до 100%. Р1 установлен в среднее (50%) положение. Из графика видно, что обеспечивается линейная регулировка тока в пределах ±1 мА относительно среднего положения. Диапазон регулирования Р1 («Грубо») при этой доработке изменился несущественно:
 |
| Рисунок 11. |
Использованная литература и ссылки:
- Интерфейс «токовая петля». http://www.bookasutp.ru/Chapter2_4.aspx
- Унифицированные сигналы. Методичка КонтрАвт. http://www.metodichka-contravt.ru/?id=3923
- LM317-D. Three-Terminal Adjustable Output Positive Voltage Regulator. Motorola, Inc. 1996, p. 8
- Схема генератора (задатчика) тока 4-20 мА. http://electro-hobby.ucoz.ru/load/1-1-0-14
- shadowlamer. Задатчик тока 4-20 мА. http://radiokot.ru/circuit/analog/measure/15/
- Алексей Горшенин. Имитирование сигнала 4-20 мА или история создания эксклюзивного прибора. http://kot23rus.wordpress.com/2011/03/
- В. Никулин. Лабораторный источник стабильного тока. Радиомир, 2013, № 1, с. 23-25
- John Guy. Programmable current source requires no power supply. EDN Europe, 01 Jul 2008. http://www.edn.com/design/power-management/4325377/Programmable-current-source-requires-no-power-supply
Окончание читайте здесь
Источник