Перейти к содержанию

Как получить 0–5 В из сигнала 4–20 мА?

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Токовая петля 4–20 мА начинается не с нуля, а с 4 мА — это «живой ноль», по которому приёмник отличает минимум шкалы от обрыва. Поэтому любой резистор даёт на выходе смещённое напряжение: 250 Ом — 1–5 В. Чтобы получить 0–5 В, смещение нужно вычесть, а остаток растянуть.

ТокНа 250 ОмПосле вычитания 1 В и усиления 1,25 (наш расчёт)
4 мА1,00 В0,00 В
8 мА2,00 В1,25 В
12 мА3,00 В2,50 В
20 мА5,00 В5,00 В

Общая формула (наш расчёт): Uвых = 1,25 · (I · 250 − 1) = 312,5 · (I − 0,004), где I в амперах.

Способ 1: в программе

Если 0–5 В нужны только для АЦП микроконтроллера, ничего ставить не надо: U = I · R, вычитаем смещение и масштабируем в коде. Цена — шкала АЦП используется не целиком: 1 В из 5 приходятся на смещение. Номинал резистора под опорное напряжение АЦП подобран в ответе «Как подключить датчик 4–20 мА к Arduino?».

Способ 2: каскад на ОУ

Дифференциальный усилитель с коэффициентом 1,25 вычитает опорные 1 В из напряжения на резисторе. Для выхода 0–5 В ОУ должен доходить до обеих шин: у LM358 при питании 5 В выход не поднимается выше (V+) − 1,5 В при нагрузке 2 кОм, то есть 3,5 В (SLOS068AB, разд. 5.7). С LM358 питание берут 9–12 В — но тогда при перегрузке или обрыве выход может уйти выше 5 В, и перед АЦП его ограничивают, — или ставят ОУ с выходом rail-to-rail. Резисторы каскада подберёт калькулятор ОУ, свойства LM358 описаны на странице LM358 и LM324.

Способ 3: RCV420

RCV420 — готовый приёмник: внутренние резисторы, опорное 10 В и усилитель уже согласованы на 4–20 мА → 0–5 В с погрешностью 0,1 %, синфазный диапазон ±40 В, на входе падает 1,5 В при полной шкале. Но ему нужно двухполярное питание: номинально ±15 В, не меньше +11,4 и −5 В. Удобен в стойке с промышленным питанием, неудобен на плате с микроконтроллером.

Подробно о петле, NAMUR NE43 и бюджете напряжения — в статье «Токовая петля 4–20 мА».

Похожие вопросы

Чем плох простой делитель после резистора 250 Ом?

Делитель только уменьшает напряжение, но не убирает смещение: из 1–5 В он сделает, например, 0,5–2,5 В, и ноль шкалы всё равно не совпадёт с нулём вольт. К тому же делитель параллельно резистору 250 Ом меняет его сопротивление.

Можно ли питать RCV420 от одного источника 5 В?

Нет: RCV420 нужно двухполярное питание — номинально ±15 В, допустимо от +11,4 В и −5 В до ±18 В. Для платы с одним питанием 5 В подходит каскад на ОУ с выходом до шин питания.

Не потеряется ли сигнал отказа, если сдвинуть ноль?

Ток ниже 4 мА после вычитания даст отрицательное напряжение, которое ОУ с однополярным питанием не выдаст — на выходе будет ноль. Наш вывод: если нужно различать обрыв и 4 мА, оставьте запас по шкале или читайте напряжение на резисторе напрямую.

Источники

  1. Texas Instruments (Burr-Brown). RCV420 Precision 4mA to 20mA Current Loop Receiver, SBVS019 — с. 1 — полное преобразование 4–20 мА в 0–5 В, внутренние резисторы 75 Ом, опорное 10 В, синфазный диапазон ±40 В, погрешность преобразования 0,1 %, падение 1,5 В при полной шкале; с. 2 — номинальное питание ±15 В, диапазон: положительное от +11,4 В, отрицательное от −5 В, наибольшее ±18 В
  2. Texas Instruments. LM358, LM358A, LM358B family, SLOS068AB (October 2024) — разд. 5.7 — при питании 5 В выход доходит до (V+) − 1,5 В при нагрузке 2 кОм и до 5–20 мВ от нижней шины при 10 кОм; синфазный диапазон входа до (V+) − 1,5 В
  3. Texas Instruments. DAC161S997, SNAS621A — разд. 9.2.2 — уровни NAMUR NE43: ниже 3,6 мА и выше 21 мА — отказ

Нашли ошибку?

Смотрите также