Перейти к содержанию

Как сделать выход 4–20 мА от микроконтроллера?

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Петля 4–20 мА требует источника тока: передатчик держит заданный ток, какое бы сопротивление ни было у проводов и приёмника. Микроконтроллер выдаёт напряжение — с ЦАП или с ШИМ, сглаженного фильтром, — значит, нужен преобразователь напряжение–ток. Схема зависит от того, откуда берётся питание устройства.

ВариантСхема петлиВходПитание
ОУ + MOSFET или транзистор, I = U/Rтрёх-, четырёхпроводная (сток или источник тока)ЦАП или ШИМ + RC-фильтрсвоё, обычно 24 В
XTR115 / XTR116 (TI)двухпроводнаяток 40–200 мкА от ЦАП или ШИМ через резисторот петли 7,5–36 В
AD5420 (ADI)трёх-, четырёхпроводнаяSPI, 16 бит10,8–40 В
AD5421 (ADI), DAC161S997 (TI)двухпроводнаяSPI, 16 битот петли

С собственным питанием: ОУ и транзистор

ОУ держит на резисторе датчика тока R3 то же напряжение, что пришло на вход, и управляет транзистором; ток нагрузки Io = Ui/R3 (TI SBOA327). Наш расчёт: при R3 = 100 Ом вход 0,4–2,0 В даёт 4–20 мА, на резисторе рассеивается до 40 мВт. Схема TI тянет ток через нагрузку от плюса питания: приёмник стоит между +24 В и выходом. Если приёмник — резистор на землю, как у аналоговых входов ПЛК для активных датчиков, нужен вариант-источник с транзистором в верхнем плече. Такой же каскад на ОУ и MOSFET работает стабилизатором тока для светодиодов — см. схему стабилизатора тока. Чтобы получить 0,4–2,0 В из ШИМ, его сглаживают RC-фильтром — подобрать элементы поможет калькулятор ШИМ.

Двухпроводная петля: XTR115

Двухпроводный датчик питается от того же тока, который передаёт сигнал. XTR115 умножает входной ток на 100: резистор 20 кОм превращает 0,8–4 В в 40–200 мкА и 4–20 мА в петле. Если ЦАП выдаёт напряжение от нуля, смещение 4 мА даёт ток 40 мкА через резистор 62,5 кОм от выхода опорного 2,5 В (разд. 8.1.3). Микроконтроллер питается от стабилизатора 5 В микросхемы, его ток возвращается через вывод IRET и входит в ток петли. По TI внешним цепям доступно больше 3,7 мА (разд. 8.1.2), но чтобы выдать ток отказа ниже 3,6 мА по NAMUR NE43, вся схема должна потреблять заметно меньше — около 3 мА (наш вывод). Нужен микроконтроллер с малым потреблением.

Готовые ЦАП с токовым выходом

AD5420, AD5421 и DAC161S997 принимают код по SPI и сами формируют ток, включая аварийные значения по NAMUR NE43. Это дороже, но точность нормирована производителем, а не зависит от подбора резисторов.

Бюджет напряжения петли, токи отказа и приёмники — в статье «Токовая петля 4–20 мА». Проверить готовый выход можно по ответу «Как проверить датчик 4–20 мА мультиметром?».

Похожие вопросы

Можно ли получить 4–20 мА прямо с вывода ШИМ?

Нет: вывод ШИМ даёт напряжение, а не стабильный ток, и не выдержит напряжение петли 24 В. ШИМ сначала сглаживают RC-фильтром до постоянного напряжения, а уже его подают на преобразователь напряжение–ток.

Сколько тока может потреблять микроконтроллер в двухпроводном передатчике?

Меньше 4 мА вместе со всей схемой: в двухпроводной петле питание берётся из того же тока, что несёт сигнал. По TI у XTR115 при собственном токе около 200 мкА внешним цепям доступно больше 3,7 мА, и ток ещё можно опустить ниже 4 мА. Но сигнал отказа по NAMUR NE43 — ниже 3,6 мА, поэтому вся схема вместе с XTR115 должна потреблять заметно меньше — около 3 мА с запасом (наш вывод).

Какое напряжение питания нужно преобразователю на ОУ?

Наш расчёт: не меньше суммы падений при 20 мА — на нагрузке, на резисторе датчика тока и на транзисторе с запасом. Для приёмника 250 Ом это 5 В, плюс 2 В на резисторе 100 Ом и несколько вольт на транзисторе, поэтому обычно берут 24 В.

Источники

  1. Texas Instruments. XTR115, XTR116 4-20mA Current-Loop Transmitters, SBOS124C — IO = 100 · IIN; RIN 20 кОм: 0,8–4 В → 40–200 мкА → 4–20 мА; питание петли 7,5–36 В; опорное 2,5 В (XTR115) или 4,096 В (XTR116), стабилизатор 5 В; разд. 8.1.2 — ток покоя около 200 мкА, ток внешних цепей возвращается через IRET и входит в ток петли, внешним цепям доступно больше 3,7 мА; разд. 8.1.3 — смещение 4 мА резистором 62,5 кОм от опорного 2,5 В (40 мкА)
  2. Texas Instruments. Voltage-to-current (V-I) converter circuit with MOSFET, SBOA327A — однополярный преобразователь с нагрузкой со стороны питания: Io = Vi / R3, расчёт R3 и его мощности, резистор в цепи затвора и коррекция
  3. Analog Devices. AD5410/AD5420 Single Channel, 12-/16-Bit, Serial Input, Current Source DAC, Rev. K — выходы 4–20, 0–20, 0–24 мА; питание AVDD 10,8–40 В; напряжение на нагрузке до AVDD − 2,5 В
  4. Analog Devices. AD5421 Loop-Powered 4 mA to 20 mA DAC, Rev. I — 16-битный ЦАП с питанием от петли 5,5–52 В, диапазоны 4–20, 3,8–21, 3,2–24 мА, токи аварии; ток потребления до 300 мкА

Нашли ошибку?

Смотрите также