Перейти к содержанию

XTR115 и XTR116 — двухпроводные передатчики токовой петли 4–20 мА

XTR115 и XTR116 — микросхемы TI для двухпроводного датчика 4–20 мА: они живут на токе петли, дают датчику 5 В и опорное напряжение, а входной ток в десятки микроампер превращают в ток петли, в 100 раз больший. Разбираем по даташиту выводы, точность, расчёт входного резистора, внешний транзистор и защиту.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

XTR115 и XTR116 (Texas Instruments) — усилители тока с коэффициентом 100 для токовой петли 4–20 мА. Микросхема включается последовательно в петлю как управляемый источник тока, питается от неё же и отдаёт датчику стабилизированные 5 В и опорное напряжение. Что такое «живой ноль», как рассчитать напряжение питания петли и резистор приёмника, что говорит NAMUR NE43 о токах отказа и как устроен HART — в статье «Токовая петля 4–20 мА».

Коротко

  • Передача — Iвых = 100 · Iвх; линейный диапазон 0,25–25 мА, ограничение около 32 мА.
  • Питание петли — 7,5–36 В (номинал 24 В), абсолютный предел 40 В относительно IO.
  • Для датчика — стабилизатор 5 В и опорное 2,5 В (XTR115) или 4,096 В (XTR116); на внешние цепи остаётся больше 3,7 мА.
  • Точность (исполнение U) — ошибка коэффициента ±0,05 % тип., ±0,2 % макс.; нелинейность до ±0,01 %.
  • Корпус — SOIC-8; рабочая температура по характеристикам −40…+85 °C.

Распиновка

XTR115 и XTR116, вид сверху: 1 VREF, 2 IIN, 3 IRET, 4 IO, 5 E, 6 B, 7 V+, 8 VREGXTR1151VREF2IIN3IRET4IO5E6B7V+8VREGвид сверху
XTR115 и XTR116 в корпусе SOIC-8, вид сверху
ВыводОбозначениеНазначение
1VREFвыход опорного напряжения: 2,5 В у XTR115, 4,096 В у XTR116 (относительно IRET)
2IINтоковый вход; напряжение на нём равно напряжению IRET
3IRETместная земля датчика: сюда возвращается весь ток от VREG и VREF
4IOвыход тока петли, к минусу петли
5Eэмиттер внешнего транзистора
6Bбаза внешнего транзистора
7V+плюс петли
8VREGвыход стабилизатора 5 В для датчика

Параметры

По разд. 6.4 даташита при 25 °C, V+ = 24 В, RIN = 20 кОм, внешний транзистор TIP29C. TI выпускает микросхему на двух площадках (CSO: SHE и TID), и часть параметров у них разная — в таблице худшее из двух значений. Исполнение U точнее UA.

ПараметрМин.Тип.Макс.
Выходной ток, линейный диапазон0,25 мА—25 мА
Ограничение тока—32 мА—
Нижний предел тока (IREG = IREF = 0)—0,2 мА0,25 мА
Ошибка коэффициента, U / UA—±0,05 %±0,2 % / ±0,4 %
Нелинейность, U / UA—±0,003 %±0,01 % / ±0,02 %
Смещение входного ОУ, U / UA—±100 мкВ±250 мкВ / ±500 мкВ
Опорное напряжение: точность, U / UA (IREF = 0)—±0,1 %±0,25 % / ±0,5 %
Опорное напряжение: дрейф, U / UA—±20 ppm/°C±35 ppm/°C / ±75 ppm/°C
Отклонение VREG от 5 В (IREG = 0)—±0,05 В±0,1 В
Ток короткого замыкания VREF / VREG—16 мА / 12 мА—
Собственный ток (IO = 0), 25 °C—200 мкА250 мкА
Собственный ток, −40…+85 °C—240 мкА300 мкА
Полоса (малый сигнал)—380 кГц—

Рабочие режимы (разд. 6.2): питание V+ 7,5–36 В, номинал 24 В, температура −40…+85 °C. Предельные режимы (разд. 6.1): V+ до 40 В относительно IO, вход 0…V+ относительно IRET, короткое замыкание выходов VREG и VREF допускается длительно, кристалл до 165 °C. Тепловое сопротивление кристалл — воздух — 128,2 °C/Вт.

Типичная схема

По рис. 8-1 даташита: датчик или ЦАП питается от VREG и возвращает ток на IRET; сигнал подаётся через резистор RIN на вход IIN; база и эмиттер внешнего NPN-транзистора — на выводы 6 и 5, его коллектор — к V+; между V+ и IO — конденсатор 10 нФ для устойчивости (для HART — 2–3 нФ, чтобы не срезать сигнал модема). Полную шкалу на входе TI советует делать больше 0,5 В, чтобы смещение и дрейф входного ОУ не были заметны.

Расчёт по даташиту: при RIN = 20 кОм вход 0,8–4 В даёт 40–200 мкА и 4–20 мА в петле. Смещение 4 мА от нулевого сигнала — ток 40 мкА через резистор 62,5 кОм от VREF 2,5 В (рис. 8-2). Если на VREF нужна ёмкость, TI требует компенсации: два конденсатора 10 пФ – 0,5 мкФ и 2,2–22 мкФ и последовательный резистор 10 Ом или демпфирующая цепь 50 Ом (рис. 8-4).

Защита петли (разд. 7.3): диодный мост на входе позволяет подключать датчик в любой полярности ценой около 1,4 В бюджета, последовательный диод — 0,7 В. Против выбросов TI ставит параллельно петле стабилитрон или TVS-диод на 36 В (1N4753A или P6KE39A — карточка SMBJ, P6KE), а при питании петли ниже 30 В советует более низковольтный. В испытаниях TI микросхемы не повреждались при питании петли до 65 В, но это результат испытаний, а не гарантированный предел. Токи выше 45 мА могут повредить микросхему.

Транзистор. Рассеяние на нём доходит до 0,8 Вт при 40 В и 20 мА; TI советует размещать его подальше от XTR115 и чувствительных цепей и отводить тепло на корпус датчика. Варианты из даташита: 2N4922G (TO-126), FCX690BTA (SOT-89), MMBTA28-7-F (SOT-23) — выбор из карточек транзисторов делают по тем же трём параметрам.

Аналоги

XTR115 и XTR116 отличаются только опорным напряжением. В таблице сравнения TI называет родственный XTR117 — со стабилизатором 5 В, но без вывода опорного напряжения. Совместимых по выводам замен других производителей в даташите нет. Другой путь к 4–20 мА — специализированные ЦАП для токовой петли вроде TI DAC161S997 или ADI AD5421: их сравнение и выбор — в статье «Токовая петля 4–20 мА».

Частые вопросы

Как рассчитать входной резистор XTR115?

Выходной ток равен входному, умноженному на 100. Для петли 4–20 мА нужен входной ток 40–200 мкА. С резистором 20 кОм от источника напряжения это 0,8–4 В, как в примере TI. Если датчик или ЦАП выдаёт напряжение от нуля, смещение 4 мА создают отдельным током 40 мкА: резистор 62,5 кОм от вывода VREF (2,5 В) на вход IIN, а сигнал добавляет ещё 0–160 мкА.

Сколько тока остаётся на питание датчика?

По даташиту больше 3,7 мА. Собственный ток микросхемы — 200 мкА тип., 250 мкА макс. при 25 °C (до 300 мкА в диапазоне −40…+85 °C), и всё, что берут внешние цепи от VREG и VREF, тоже входит в ток петли. Чтобы при необходимости опустить ток ниже 4 мА, датчику и микроконтроллеру нужно уложиться в этот запас.

Зачем XTR115 внешний транзистор?

Основной ток петли идёт через внешний NPN-транзистор, чтобы тепло выделялось не в микросхеме и не искажало её точность. При 40 В и 20 мА на транзисторе по оценке TI рассеивается до 0,8 Вт. Подходит почти любой NPN с нужными напряжением, током и мощностью — TI приводит 2N4922G, FCX690BTA и MMBTA28-7-F; MOSFET точности не прибавит, и TI его не рекомендует.

Чем XTR115 отличается от XTR116?

Только опорным напряжением на выводе 1: 2,5 В у XTR115 и 4,096 В у XTR116. Внутри это напряжение не используется, оно нужно для смещения входа и питания мостового датчика. Всё остальное, включая стабилизатор 5 В и коэффициент 100, одинаково.

Источники

  1. Texas Instruments. XTR115, XTR116 4-20mA Current-Loop Transmitters (SBOS124C, January 2000, revised January 2026) — разд. 1, 3 — возможности; разд. 5 — выводы SOIC-8; разд. 6.1–6.4 — предельные и рабочие режимы, тепловое сопротивление, характеристики по исполнениям U и UA и по площадкам производства (CSO); разд. 7.3 — защита от переполюсовки и перенапряжения; разд. 8.1 — схема включения, RIN 20 кОм, транзистор Q1, минимальный ток, смещение 40 мкА резистором 62,5 кОм, ограничение 32 мА, повреждение выше 45 мА, конденсатор 10 нФ, нагрузка на VREF; разд. 9, 10 — питание и разводка
  2. Texas Instruments. DAC161S997 16-Bit SPI-Programmable DAC for 4-20 mA Loops (SNAS621A, 2014) — разд. 9.2.2 — расчёт напряжения питания петли и диапазоны NAMUR NE43 для сравнения с другим решением TI

Нашли ошибку?

Смотрите также