Токовая петля 4–20 мА

Почему ток, а не напряжение

В последовательной цепи ток одинаков в каждой её точке — это первый закон Кирхгофа. Передатчик-источник тока поддерживает заданное значение независимо от того, какое сопротивление включено в петлю: сопротивление проводов, клеммы, контакты и резистор приёмника меняют лишь напряжение, которое приходится развивать источнику. Пока его хватает, приёмник на другом конце кабеля длиной в сотни метров измерит ровно тот ток, который задал датчик.

С напряжением так не получится. Сигнал 0–10 В на длинном кабеле теряет часть амплитуды на сопротивлении проводов, если вход приёмника потребляет ток, а падение на общем проводе, по которому текут токи других цепей, прибавляется к измеренному значению. Токовый сигнал к этому нечувствителен. Он лучше переносит и наводки: источник тока имеет высокое выходное сопротивление, а приёмник — низкое (сотни ом), поэтому напряжение помехи, наведённое на провода, почти не создаёт в петле дополнительного тока.

Ещё одно достоинство — два провода на всё. Двухпроводный датчик берёт питание из той же петли, по которой передаёт сигнал: к нему не нужно тянуть отдельную линию питания.

Живой ноль: зачем 4 мА

Шкала начинается не с нуля, а с 4 мА. Это даёт две вещи.

• Диагностика обрыва. Если в петле 0 мА, это заведомо неисправность — обрыв провода, отключённое питание или отказ датчика, — а не нулевое значение величины. У шкалы 0–20 мА обрыв и «0 бар» неотличимы.
• Питание датчика. Двухпроводный передатчик живёт на токе петли и не может потреблять больше, чем ток начала шкалы. Для XTR115 TI оценивает доступный внешним цепям ток больше чем в 3,7 мА при сохранении возможности опустить выходной ток ниже 4 мА. Наш расчёт: при минимальном рабочем напряжении XTR115 7,5 В и токе 4 мА весь передатчик получает около 30 мВт, но внешние цепи питаются от его стабилизатора 5 В, и им достаётся меньше 3,7 мА — около 18 мВт. На микроконтроллер с малым потреблением, мост датчика и опорное напряжение этого хватает, на подсветку дисплея — уже нет.

Пересчёт тока в значение величины — линейный:

Например, для датчика 0–10 бар ток 7,2 мА — это 20 % шкалы, то есть 2 бар.

Двух-, трёх- и четырёхпроводные датчики

В двухпроводной схеме источник питания, передатчик и резистор приёмника включены последовательно. Передатчик работает как управляемый источник (регулятор) тока: он пропускает через себя ровно столько тока, сколько соответствует измеренной величине, а напряжение на нём — то, что осталось от источника за вычетом падений на проводах и приёмнике. Так работают XTR115/XTR116, AD5421 и DAC161S997.

В трёх- и четырёхпроводных схемах датчик питается отдельно, а выход тока работает как источник тока относительно общего провода. Пример такой микросхемы — AD5420: она питается от 10,8–60 В (в зависимости от исполнения) и формирует выходной ток 4–20, 0–20 или 0–24 мА в нагрузку, причём напряжение на нагрузке может доходить до напряжения питания минус 2,5 В. В четырёхпроводной схеме петля обычно гальванически отделена от питания — это избавляет от проблем с общими проводами разных приборов.

Важно не перепутать активный и пассивный входы приёмника. Активный вход ПЛК сам питает петлю — к нему подключают двухпроводный датчик без внешнего источника. Пассивный вход — просто измерительный резистор: к нему подключают трёх- и четырёхпроводные датчики с собственным источником тока или двухпроводные через отдельный блок питания в петле.

Бюджет напряжения петли: расчёт питания

Источник питания должен развить достаточное напряжение при наибольшем токе, который может появиться в петле. Условие:

где U_{пер.мин} — минимальное напряжение, при котором передатчик ещё держит ток (compliance voltage), R_пр — сопротивление приёмника, R_пров — сопротивление обоих проводов петли, U_защ — падения на защитных диодах. Брать I_макс = 20 мА мало: датчик должен суметь выставить и ток аварии сверху — больше 21 мА по NE43, 22,8 или 24 мА у AD5421. TI в своём расчёте для DAC161S997 берёт 24 мА.

Пример расчёта

Датчик на XTR115, питание петли 24 В, приёмник — резистор 250 Ом, кабель 500 м, последовательный диод защиты от переполюсовки. Все числа ниже — наш расчёт по данным TI.

1. Передатчик. Минимальное напряжение питания XTR115 — 7,5 В. Диод защиты от переполюсовки отнимает 0,7 В (диодный мост — 1,4 В).
2. Провода. В примере TI для DAC161S997 сопротивление провода — 0,026 Ом на фут, то есть около 0,085 Ом на метр. Два провода по 500 м: R_пров ≈ 85 Ом. Посчитать сопротивление своего кабеля по сечению можно калькулятором провода.
3. Сумма при 21 мА: 7,5 + 0,7 + 0,021 · (250 + 85) ≈ 15,2 В. При аварийных токах — больше: 22,8 мА требуют около 15,8 В, 24 мА — около 16,2 В. До 24 В остаётся запас почти 8 В.
4. Наибольшая нагрузка при 24 В: (24 − 7,5 − 0,7)/0,021 ≈ 752 Ом на приёмник и провода вместе, а чтобы проходил аварийный ток 24 мА, — около 658 Ом. При токе ограничения XTR115 около 32 мА — ≈ 494 Ом: если датчик уйдёт в перегрузку, приёмник с проводами до этой величины ещё пропустит ток ограничения.
5. А если питание 12 В? (12 − 7,5 − 0,7)/0,021 ≈ 181 Ом. Резистор 250 Ом с теми же проводами в такую петлю не помещается: ток ограничится примерно 11,3 мА, то есть меньше половины шкалы, и показания перестанут расти уже на её середине (даже без проводов — на 15,2 мА). Отсюда популярность 24 В.

TI в даташите DAC161S997 считает так же, только с подробной раскладкой падений внутри передатчика: в сумме 9,34 В на элементы самой схемы, плюс 24 мА · R_нагр и падение на проводах. Для нагрузки 250 Ом и проводов 2 × 500 футов это 16,0 В, для 50 Ом и коротких проводов — 10,6 В. Метод один: сложить падения при наибольшем токе и сравнить с минимальным напряжением источника.

Не забудьте и верхнюю границу: напряжение источника не должно превышать допустимого для самого «слабого» элемента петли. У XTR115 рабочий диапазон — 7,5–36 В, у AD5421 — 5,5–52 В.

Приёмник: резистор и АЦП микроконтроллера

Простейший приёмник — точный резистор, через который ток петли течёт на землю: напряжение на нём по закону Ома пропорционально току. Это тот же токоизмерительный шунт, что и в силовых цепях, только на миллиамперы; подобрать номинал и мощность поможет калькулятор шунта.

Таблица — наш расчёт U = I · R. Классический номинал 250 Ом превращает 4–20 мА в стандартный сигнал 1–5 В. Для микроконтроллера с опорным напряжением 3,3 В он не подходит: 20 мА дают 5 В. Резистор 165 Ом довёл бы 20 мА ровно до 3,3 В, но тогда ток аварии 21 мА окажется за пределом шкалы АЦП, и приёмник не отличит перегрузку датчика от верхнего края. С 150 Ом рабочая шкала занимает 0,6–3,0 В, 21 мА (3,15 В) ещё измеряется, а шкала АЦП кончается на 3,3 / 150 = 22,0 мА: аварийные токи 22,8 и 24 мА у AD5421 придут как насыщенный код, и программа должна считать такой код отказом. Если аварийный ток нужно именно измерить, берите около 130 Ом: 4–20 мА — это 0,52–2,6 В, 24 мА — 3,12 В, а один отсчёт 12-битного АЦП — около 6,2 мкА (наш расчёт).

Пересчёт кода АЦП в ток

Для n-битного АЦП с опорным напряжением U_оп и резистором R:

Пример (наш расчёт): 12-битный АЦП, опорное 3,3 В, резистор 150 Ом. Ток 4 мА даёт код около 745, 20 мА — около 3724; на всю шкалу приходится почти 3000 отсчётов, один отсчёт — около 5,4 мкА, то есть 0,034 % шкалы. Этого достаточно для большинства датчиков; если нет — помогает усреднение. Как устроен АЦП, что такое опорное напряжение и почему важно сопротивление источника сигнала — в статье «АЦП».

#include <stdbool.h>
#include <stdint.h>

// 12-bit ADC, Vref = 3.3 V, 150 ohm sense resistor
// Codes near full scale mean >= 22 mA: treat as a sensor fault
#define LOOP_CODE_SATURATED 4090u

float loop_ma(uint16_t code)
{
    return code * 3.3f / 4096.0f / 150.0f * 1000.0f;
}

// NAMUR NE43: below 3.6 mA or above 21 mA (or a saturated code) is a fault
bool loop_fault(uint16_t code)
{
    float ma = loop_ma(code);
    return code >= LOOP_CODE_SATURATED || ma < 3.6f || ma > 21.0f;
}

// Scale 4..20 mA to the sensor range, e.g. 0..10 bar
float loop_to_value(float ma, float lo, float hi)
{
    return lo + (ma - 4.0f) / 16.0f * (hi - lo);
}

Точность и мощность резистора

• Допуск и ТКС. Погрешность резистора прямо входит в результат: резистор 1 % даёт до 1 % ошибки, поэтому берут 0,1 % с малым температурным коэффициентом — или калибруют канал по двум точкам (4 и 20 мА).
• Опорное напряжение АЦП тоже входит в погрешность: опорный источник лучше внутреннего «питания как опоры».
• Мощность. При 20 мА на 250 Ом рассеивается 0,1 Вт, при токе ограничения XTR115 около 32 мА — уже 0,26 Вт (наш расчёт). Берите резистор с запасом по мощности.
• Готовые приёмники. RCV420 (TI) — интегральный приёмник 4–20 мА → 0–5 В с внутренними резисторами, точностью 0,1 % и синфазным диапазоном ±40 В; на нём падает всего 1,5 В при полной шкале. Пригодится, когда резистор нельзя поставить на землю схемы.

Если нужно поднять или опустить уровни под конкретный вход, напряжение с резистора можно масштабировать делителем — его удобно посчитать калькулятором делителя. Но помните, что делитель параллельно резистору уменьшает его сопротивление.

NAMUR NE43: токи отказа

Рекомендация NAMUR NE43 стандартизует, как датчик сообщает о собственной неисправности через тот же ток. Уровни ниже — в изложении TI (даташит DAC161S997):

Промежутки 3,6–3,8 мА и 20,5–21 мА на схеме TI отдельного смысла не имеют: это запас между зоной измерения и зоной отказа.

Передатчики, рассчитанные на NE43, умеют выставлять аварийный ток сами. AD5421 предлагает выбираемые выводами диапазоны 4–20, 3,8–21 и 3,2–24 мА и аварийные токи 3,2 мА (вниз) или 22,8/24 мА (вверх); направление аварии задаётся выводом. Приёмник должен распознавать эти токи. Резистор 150 Ом при опорном 3,3 В покрывает порог NE43 в 21 мА, а 22,8 и 24 мА выдают уже насыщенным кодом АЦП — его программа обязана трактовать как отказ; резистор около 130 Ом измерит и их. И, конечно, нужен запас по напряжению питания петли.

Защита петли

Линия длиной в сотни метров на объекте собирает наводки, импульсы перенапряжений и ошибки монтажников. Типовые меры:

• Переполюсовка. Последовательный диод (−0,7 В от бюджета) или диодный мост, с которым датчик работает при любой полярности (−1,4 В). У XTR115 запас по минимальному напряжению это позволяет: с мостом TI оценивает необходимое напряжение примерно в 9 В.
• Импульсы перенапряжения. Стабилитрон или TVS-диод параллельно передатчику с напряжением как можно ниже, но выше рабочего напряжения петли: в примере TI для XTR115 — 36 В (1N4753A или P6KE39A), с оговоркой использовать более низковольтные при питании петли ниже 30 В. Прямая ветвь такого диода при переполюсовке проводит большой ток, поэтому его сочетают с последовательным диодом или мостом.
• Ограничение тока. XTR115 сам ограничивает ток примерно на 32 мА, но токи выше 45 мА его повреждают. Если на клеммы датчика по ошибке подать питание напрямую, всё напряжение источника окажется на резисторе приёмника: 24 В на 250 Ом — это 96 мА и 2,3 Вт (наш расчёт). Резистор перегреется, а вход АЦП получит 24 В. Поэтому в петлю ставят самовосстанавливающийся предохранитель или ограничитель тока, а вход АЦП защищают последовательным резистором и ограничением напряжения.
• Вход АЦП. RC-фильтр перед АЦП убирает высокочастотные наводки и одновременно ограничивает ток через защитные диоды входа при перегрузке.
• Гальваническая развязка — для датчиков на удалённых объектах и в цепях с разными землями: изолированный вход модуля ввода или изолированный источник питания петли.

Ещё два совета TI из даташита XTR115: конденсатор 10 нФ между выводами питания и выхода передатчика для устойчивости (для HART — 2–3 нФ, чтобы не срезать сигнал модема) и защита от радиопомех — длинные провода петли работают как антенна, а выпрямленная входными цепями помеха проявляется как «плавающий» ток.

Микросхемы передатчиков 4–20 мА

Пример: XTR115 с напряжением на входе

XTR115 — усилитель тока с коэффициентом 100. Входной ток задаётся резистором от источника напряжения: с R_вх = 20 кОм входное напряжение 0,8–4 В даёт входной ток 40–200 мкА и выходной 4–20 мА (так в даташите TI). Если датчик или ЦАП выдаёт напряжение от нуля, смещение 4 мА создают отдельным током 40 мкА: резистор 62,5 кОм от выхода опорного напряжения 2,5 В. Все внешние цепи — датчик, микроконтроллер, ЦАП — питаются от вывода стабилизатора 5 В, и их ток возвращается на вывод IRET: так он учитывается в токе петли, а не теряется мимо неё.

Основной ток петли проводит внешний NPN-транзистор — это выносит тепло за пределы микросхемы и уменьшает температурную погрешность. TI оценивает рассеивание транзистора до 0,8 Вт при 40 В и 20 мА (при верхней границе рабочего диапазона 36 В — около 0,7 Вт, наш расчёт), поэтому TI советует размещать его подальше от XTR115 и чувствительных аналоговых цепей.

AD5421 решает ту же задачу цифровым входом: 16-битный ЦАП по SPI, напряжение петли до 52 В. При прямом подключении к 24 В при токе 24 мА микросхема может рассеивать до 576 мВт; ADI предлагает ставить последовательно полевой транзистор обеднённого типа, который берёт часть напряжения на себя и уменьшает рассеивание на кристалле до 288 мВт.

HART: цифра поверх 4–20 мА

HART (Highway Addressable Remote Transducer) добавляет к аналоговой петле цифровой канал без дополнительных проводов. Модем накладывает на ток петли синусоиду с частотной манипуляцией: 1200 Гц и 2200 Гц, скорость — 1200 бит/с; у модема DAC8740H скорость UART обмена с хостом должна быть 1200 бод ±1 %. Амплитуда — 1 мА от пика до пика (в примере ADI для AD5421 и TI для DAC8740H модем выдаёт 500 мВ от пика до пика, а передатчик превращает это в 1 мА в петле). На резисторе 250 Ом это около 250 мВ от пика до пика (наш расчёт).

Среднее значение синусоиды — ноль, поэтому аналоговое измерение не страдает: приёмнику достаточно отфильтровать частоты выше нескольких герц. Обратное требование — к самому передатчику: аналоговый ток не должен меняться так быстро, чтобы его изменения попадали в полосу модема. В даташите AD5421 скорость изменения тока ограничивают примерно 1,3 мА/мс, а шум выхода в полосе HART в паузах обмена не должен превышать 2,2 мВ ср. кв. (у AD5421 — 0,2 мВ); без замедления выход AD5421 менял бы ток со скоростью около 880 мА/мс.

По HART датчик сообщает диагностику, единицы и диапазон, по нему же датчик настраивают с ручного коммуникатора — не разрывая петлю и не останавливая измерение. Сам протокол — кадры, команды, адресация — выходит за рамки этой статьи.

Типичные ошибки

• Недостаточное напряжение петли. Показания перестают расти у верхнего края шкалы или ток аварии «не доходит» до 21–22 мА. Пересчитайте бюджет при наибольшем токе.
• Резистор 250 Ом на АЦП с опорным 3,3 В. Шкала обрезана на 13,2 мА, а вход АЦП получает до 5 В.
• Нет запаса шкалы АЦП для токов аварии. Приёмник не отличает 20 мА от 22 мА и пропускает отказ датчика.
• Обрыв не распознаётся. Программа пересчитывает 0 мА в «−25 % шкалы» вместо сигнала неисправности; ток ниже 3,6 мА нужно обрабатывать как отказ.
• Двухпроводный датчик на пассивном входе без источника. В петле нет питания, ток — ноль.
• Общие провода разных приборов соединены в нескольких точках. Ток петли частично идёт в обход резистора приёмника — показания занижены. Для смешанных систем — развязка.
• Резистор 1 % и внутренняя опора АЦП. Погрешность в процентах вместо десятых долей процента; калибруйте канал по 4 и 20 мА.

Как проверить петлю

1. Мультиметр в разрыв петли в режиме миллиампер покажет ток напрямую. Мультиметр сам добавляет в петлю падение напряжения — напряжение нагрузки прибора — и в петле на пределе бюджета это может сдвинуть показания.
2. Вольтметр на резисторе приёмника — без разрыва петли: 1,00 В на 250 Ом — это 4 мА, 5,00 В — 20 мА.
3. Напряжение на клеммах датчика при 20 мА должно быть не меньше его минимального рабочего напряжения — так проверяется бюджет на живой системе.
4. Калибратор петли заменяет датчик или приёмник и выставляет точные 4, 12 и 20 мА — удобно проверить пересчёт в программе.

Цифровые интерфейсы для тех же задач — RS-485 с протоколом Modbus RTU — разобраны в разделе «Интерфейсы». Токовая петля и цифровая шина часто живут рядом: один и тот же датчик выдаёт измерение по 4–20 мА и отдаёт настройки по HART или Modbus.