Все о тюнинге авто

Токовая петля. Унифицированные аналоговые сигналы в системах автоматики Выбор источника питания

Нижний Новгород

Данная статья является продолжением серии публикаций в журнале ИСУП, посвященных нормирующим *, **, *** ****. Статья «Преобразование подобного в подобное в системах измерения и управления» (ИСУП. 2012. № 1) была посвящена нормирующим , которые преобразуют унифицированные сигналы на входе в унифицированные сигналы на выходе.

Почему именно сигнал 4…20 мА?

Широкое распространение токового унифицированного сигнала 4…20 мА объясняется следующими причинами:
- на передачу токовых сигналов не оказывает влияния сопротивление соединительных проводов, поэтому требования к диаметру и длине соединительных проводов, а значит, и стоимость, снижаются;
- токовый сигнал работает на низкоомную (по сравнению с сопротивлением источника сигнала) нагрузку, поэтому наведенные электромагнитные помехи в токовых цепях малы по сравнению с аналогичными цепями, в которых используются сигналы напряжения;
- обрыв линии передачи токового сигнала 4…20 мА однозначно и легко определяется измерительными системами по нулевому уровню тока в цепи (в нормальных условиях он должен быть не меньше 4 мА);
- токовый сигнал 4…20 мА позволяет не только передавать полезный информационный сигнал, но и обеспечивать электропитание самого нормирующего преобразователя: минимально допустимого уровня 4 мА достаточно для питания современных электронных устройств.

Характеристики преобразователей токовой петли 4…20 мА

Рассмотрим основные характеристики и особенности, которые необходимо учитывать при выборе . В качестве примера приведем нормирующие преобразователи НПСИ-ГРТП, выпускаемые научно-производственной фирмой «КонтрАвт» (рис. 2).

Рис. 2. Внешний вид НПСИ-ГРТП - выпускаемых НПФ «КонтрАвт» преобразователей с гальваническим разделением 1, 2, 4 каналов токовой петли

Предназначены для выполнения всего лишь двух основных функций:
- измерение активного токового сигнала 4…20 мА и преобразование его в такой же активный токовый сигнал 4…20 мА с коэффициентом преобразования 1 и с высоким быстродействием;
- гальваническое разделение входных и выходных сигналов токовой петли.

Основная погрешность преобразования НПСИ-ГРТП составляет 0,1 %, температурная стабильность - 0,005 % / °C. Рабочий диапазон температур - от -40 до +70 °C. Напряжение изоляции - 1500 В. Быстродействие - 5 мс.

Варианты подключения к источникам активных и пассивных сигналов показаны на рис. 3 и 4. В последнем случае требуется дополнительный источник питания.

Рис. 3. Подключение преобразователей НПСИ-ГРТП к активному источнику


Рис. 4. Подключение преобразователей НПСИ-ГРТП к пассивному источнику с применением дополнительного блока питания БП

В системах измерения, где необходимо разделение входных сигналов, источником входного сигнала, как правило, являются измерительные датчики (ИД), а приемниками - вторичные измерительные приборы (ИП) (регуляторы, контроллеры, регистраторы и пр.).

В системах управления, где требуется разделение выходных сигналов, источниками являются управляющие устройства (УУ) (регуляторы, контроллеры, регистраторы и пр.), а приемниками - исполнительные устройства (ИУ) с токовым управлением (мембранные исполнительные механизмы (МИМ), тиристорные регуляторы, частотные преобразователи и пр.).

Примечательно, что для преобразователя НПСИ-ГРТП, выпускаемого , не требуется отдельное питание. Он запитывается от входного активного источника тока 4…20 мА. При этом на выходе также формируется активный сигнал 4…20 мА, и дополнительного источника в выходных цепях не требуется. Поэтому решение на базе разделителей токовой петли, которое используется в НПСИ-ГРТП, является весьма экономичным.

Выпускаются три модификации преобразователя: . Они различаются по количеству каналов (1, 2, 4 соответственно) и конструктивному исполнению (рис. 2). Одноканальный преобразователь размещен в малогабаритном узком корпусе шириной всего 8,5 мм (габариты 91,5 × 62,5 × 8,5 мм), двухканальный и четырехканальный - в корпусе шириной 22,5 мм (габариты 115 × 105 × 22,5 мм). Преобразователи с гальванической развязкой применяются в системах с десятками и сотнями сигналов, для этих систем размещение такого количества преобразователей в конструктивных оболочках (шкафах) становится важнейшей проблемой. Ключевым фактором здесь является ширина одного канала преобразования вдоль DIN-рельса. в 1-, 2‑ и 4‑канальном исполнениях имеют предельно малую «ширину канала»: 8,5, 11,25 и 5,63 мм соответственно.

Следует обратить внимание, что в многоканальных модификациях НПСИ-ГРПТ2 и НПСИ-ГРТП4 все каналы полностью не связаны между собой. С этой точки зрения работоспособность одного из каналов никак не влияет на работу других каналов. Вот почему один из аргументов против многоканальных преобразователей - «сгорает один канал, а перестает работать весь многоканальный прибор, и это резко понижает безопасность и устойчивость системы» - не работает. Зато такое важное положительное свойство многоканальных систем, как более низкая «цена канала», проявляется в полной мере. Двух- и четырехканальные модификации преобразователей снабжены винтовыми разъемными соединителями, которые облегчают их монтаж, техническое обслуживание и ремонт (замену).

В ряде задач требуется подать сигнал 4…20 мА на несколько гальванически изолированных приемников. Для этого можно применить как одноканальные преобразователи НПСИ-ГРТП1, так и многоканальные НПСИ-ГРТП2 и НПСИ-ГРТП4. Схемы соединения приведены на рис. 5.

Рис. 5. Применение одноканальных и двухканальных преобразователей для размножения сигнала «1 в 2»

Для удобства монтажа и обслуживания подключение внешних соединений в одноканальной модификации производится пружинными клеммными соединителями, а в двух- и четырехканальных - разъемными винтовыми соединителями.

Рис. 6. Подключение внешних линий с помощью разъемных клеммных соединителей

Таким образом, новую линейку преобразователей для разделения токовой петли 4…20 мА, представленную НПФ «КонтрАвт», можно вполне обоснованно назвать компактным и экономичным решением, способным конкурировать по совокупности характеристик с соответствующими импортными аналогами. Преобразователи предоставляются в опытную эксплуатацию, поэтому пользователь имеет возможность опробовать устройства в работе, оценить их характеристики и принять взвешенное решение о целесообразности их применения.
____________________________

Датчики тока (преобразователи) предназначены для бесконтактного контроля тока в электрических цепях с номинальным напряжением до 660 В. Датчик преобразовывает входной сигнал переменного тока в выходной сигнал постоянного тока 4-20мА или 0-20мА или 0-10в, который можно направить на универсальные измерительные приборы или контроллеры управления.

Датчики герметизированы и могут устанавливаться в любом месте, включая скрытые и труднодоступные места. Не ремонтируются и не требуют обслуживания, содержат встроенный трансформатор тока и универсальную платформу «Айюми», разработанную специально для применения с выпускаемыми нами измерительными трансформаторами и состоящую из прецизионного выпрямителя на ОУ, интегрирующей цепи (постоянная времени 0.6-0.8сек) и формирователя выходного аналогового сигнала.

Номинальное напряжение питания датчиков составляет 24в(ДС), работоспособность полностью сохраняется в диапазоне напряжений 20-28в. Датчики малочувствительны к пульсациям и нестабильности питающих напряжений. Рабочий диапазон температур -40...+85 град С. В настоящее время для заказа доступны датчики:

ТП03С (фото 2)на номинальные токи от 1 до 90А с отв. 11мм ТТП60 (фото 5)- на токи от 10 до 500А с отв. 37мм ТП60 - на токи от 0,05 до 300А с отв. 37мм ТП102С (фото 4)- на токи от 0,05 до 40А с отв.14 мм.

Внутри указанных диапазонов для заказа доступны любые токи. Линейность и стабильность крайне высока в диапазоне 1-100% номинального тока.Приведенная погрешность преобразования составляет менее 2% без калибровки и менее 1% с дополнительной калибровкой при изготовлении.Датчики выпускаются по ТУ 27.11.50.120-001-11976052-2017

При заказе возможно указать пониженное напряжение питания 9(12)в при соответственном снижении макс. величины вых. сигнала до 3(5)в.

Наименование датчика тока для заказа: ТП03C-хх/yy-zz(mm), где

  • хх- номинальный ток (А)
  • yy- выходной сигнал: 0-1в/0-10в/0-20мА/4-20мА
  • zz- 00-жесткие вывода
  • mm - примечание, например (клеммник) - вывода выполнены в виде клеммника. Внимание! опция доступна в полном объеме для ТПП60 и ТП60. Для ТП03 и ТП102 только в отношении варианта 4-20мА

Например: ТП03С-30А/(4-20мА)-00, т.е. датчик ТП03С с ном. вх. током 30А, выходом 4-20мА, жесткие вывода для печатного монтажа.


Еще раз обратите внимание: При заказе, значения номинального тока и параметров выходного сигнала может быть указано любое в пределах указанных пределов, т.е. для ТП03С - 1...90А; ТП102С - 0,1...40А;ТП60 - 0,05...300А ТТП60 - 10...500А для входного тока, и 0...20мА; 1...20мА; 0...10в. для выходного сигнала! Чувствительность датчиков не хуже 0.1% от ном. тока. Это не отражается на цене.


Внимание: Входное сопротивление измерителя на принимающей стороне должно быть:

  • не ниже 50кОм для модификаций 0-1в;
  • не ниже 100кОм для 0-10в;
  • не выше 500 ом для 0-20мА (включая сопр. проводников)
  • не выше 500 ом для 4-20мА (включая сопр. проводников) при 24в. питания токовой петли

Корпус датчика обеспечивает прекрасную гальваническую развязку от контролируемой цепи, что достаточно для любых приложений.

Датчик ТП03С имеет отверстие диаметром 11мм, ТП102С - 14мм, ТТП60 и ТП60 - 37мм для контролируемых линий. При необходимости возможно применение любых трансформаторов тока нашего производства для увеличения отверстия или измеряемых токов. Пример такой реализации приведен на фото 1. Такая конструкция позволяет контролировать цепи бесконтактным способом, без снятия с них изоляции, что значительно повышает надежность и безопасность электросетей. Малый номинальный измеряемый ток и приличное отверстие ТП102С и ТП60 позволяет использовать его также в качестве дифференциального трансформатора тока для измерения токов утечки в линиях (трансформатор тока нулевой последовательности),например для версии 100мА диапазон измерения входного тока составляет от 1 до 100мА с хорошей линейностью.

Устройство и принцип работы

При протекании тока во внешней цепи, встроенный токовый трансформатор обеспечивает гальваническую развязку и трансформирует этот ток в более низкий, который усиливается усилителем-преобразователем ток-напряжение. Полученное напряжение выпрямляется прецизионным выпрямителем и поступает на RC цепь, позволяющую выделить среднее напряжение, пропорциональное вх. току. На выходе RC цепи установлен формирователь напряжение — ток, который дополнительно выполняет роль буфера и приводит выходной сигнал к 0. Выходное напряжение формируется при протекании тока формирователя через Rn. Благодаря этому, выходное напряжение может изменяться в широких пределах (0-1в;0-2в и т.д.) для заданного значения вх. тока, что позволяет корректировать коэфф. преобразования подстройкой резистора нагрузки. Данная подстройка может осуществляться и при необходимости снижения коэфф. передачи или подстройки АЦП под имеющийся ИОН. В то-же время величина вых. напряжения и внутреннее сопротивление (не более 49,9 ом для 0-1в и 499 ом для варианта 0-10в) аналогового выхода позволяет без труда сопрягать его с АЦП микроконтроллеров или стандартными измерительными приборами, имеющими вход 0-1в или 0-10в. При необходимости, на этапе изготовления, возможно снижение или увеличение постоянной времени RC цепи или настройки требуемого вых. напряжения или тока.

Модификация датчика с выходом 0-20мА не имеет встроенного резистора. Макс. напряжение на выходе 4 может достигать 10в. что ограничивает вх. сопротивление измерителя с учетом сопротивления проводов величиной 500 ом. В модификации 4-20мА установлен встроенный резистор 0...10 ом и применяется 2-х проводное подключение, что ограничивает вх. сопротивление измерителя уже до 800 ом при питании 24в.

Собственное потребление датчиков «Айюми» при отсутствии вх. тока не превышает 0,8-1мА в диапазоне напряжений 20-28в. При превышении вх. тока выше номинального включается встроенная схема защиты, ограничивающая выходной ток начиная с 20 до 35мА по логарифмическому закону (24-39мА для 4-20), при этом напряжение на выходе не может превышать 11в, а максимальный потребляемый ток - 38мА, что позволяет использовать его с маломощными источниками питания.Обратите внимание: предельно допускаемый входной ток для ТП03 и ТП102 не должен превышать 200А во избежание повреждения встроенного трансформатора или электронной схемы. Для ТТП60 это предел установлен в размере 500А длительно и 1000а длительностью до 2сек., для ТП60 с диапазоном 0.05-150а в размере 300а, для 150-300а в размере 500а

Типовые схемы подключения датчиков приведены на рис. 3.

  • На рис. 3а изображена схема подключения ТП03С-хх/(0-1в) к универсальному измерителю 0-1в и особенностей не имеет, аналогичное подключение имеет и Т03С-хх/(0-10в) к универсальному измерителю 0-10в.
  • На рис. 3б изображена схема сопряжения ТП03С-хх/(0-10в) с АЦП микроконтроллера со встроенным ИОН=5в. Для снижения выходного напряжения с 10 до 5в. установлен дополнительный резистор 510 ом. Для других напряжений ИОН величину добавочного резистора можно рассчитать по ф-ле: Rx=510*Ux/(10-Ux).
  • На рис. 3в изображена схема подключения ТП03С-хх/(4-20мА) к универсальному измерителю 4-20мА и особенностей не имеет.
  • На рис. 3г изображена схема подключения ТП03С-хх/(0-20мА) к универсальному измерителю 0-20мА.

Калибратор токовой петли РЗУ-420 предназначен для задания унифицированных сигналов тока 4…20 мА в процессе испытания систем автоматики, а также для контроля величины тока и напряжения. Питание токового контура может осуществляться как от испытываемой системы, так и от прибора.

Исполнение прибора - переносное, с автономным питанием от батарей. Возможно также питание прибора от сети 220 В с применением внешнего сетевого адаптера.

Прибор имеет интуитивно понятный интерфейс и прост в использовании. Широкая функциональность РЗУ-420, эргономичность и невысокая стоимость делают его незаменимым для наладчика АСУ ТП при проведении пуско-наладочных работ. Использование РЗУ-420 позволяет существенно сократить время пуско-наладки.

Калибратор токовой петли РЗУ-420 прошел всестороннее тестирование в условиях реальной работы и получил положительные оценки во всех технических проверках и тестах.

Возможности РЗУ-420

  • Одновременное отображение на дисплее задания тока с точностью до тысячной доли мА и отображение выходного задания в процентах от шкалы 4…20 мА с точностью до десятой доли процента.
  • Диапазон задания тока: 0…25 мА (по шкале с линейной зависимостью).
  • РЗУ-420 имеет возможность измерять такие параметры токовой петли, как ток I и напряжение U.
  • Прибор может работать как от внешнего источника питания, так и от встроенного. Переключение режимов производится нажатием клавиши на панели прибора с постоянным отображением выбранного режима питания на дисплее.
  • Прибор позволяет производить как плавное задание тока с дискретностью 0,1 % шкалы, так и пошаговое задание тока каждые 1 мА. Также РЗУ-420 позволяет генерировать сигнал 4…20 мА в режиме функционального задания : меандр, пила, треугольник, синусоида. Переключение режима задания производится клавишей на лицевой панели прибора с постоянным отображением выбранного режима на дисплее.
  • Прибор имеет индикацию обрыва токовой петли. При обрыве токовой петли загорается сообщение «обрыв» на ЖК-индикаторе.
  • Прибор имеет индикацию состояния батареи питания, постоянно отображаемую на дисплее, что позволяет рассчитать предполагаемое время работы от данного комплекта батарей.
  • Дисплей прибора оснащен подсветкой для возможности работы в условиях с недостаточной освещенностью.
  • Максимальная основная погрешность задания/измерения составляет всего ±0,1 %.
  • Корпус прибора выполнен из ударопрочного пластика с уровнем пылевлагозащиты IP20.
  • Имеется сертификат средства измерения.

Юрий Курцевой (Maxim Integrated)

Высокоинтегрированный аналоговый формирователь сигнала токовой петли 4-20 мА MAX 12900 производства Maxim Integrated может конвертировать ШИМ — сигнал микроконтроллера, который не обладает встроенным ЦАП, в сигнал петли 4 … 20мА для двух- , трех- или четырех проводных конфигураций .

Токовая петля 4…20 мА на сегодняшний день является одним из наиболее популярных методов передачи данных во многих отраслях промышленности. Благодаря своей устойчивости к помехам при передаче сигнала от передатчика к приемнику она идеально подходит для таких задач. Другое преимущество – относительная простота и бюджетность метода. Хотя, конечно, необходимость контроля за падением напряжения в некоторых участках цепи и за рядом других параметров часто приводит к усложнению схемы и увеличению стоимости решения. В таблице 1 обобщаются преимущества и недостатки метода передачи данных на основе токовой петли 4…20 мА.

Таблица 1. Преимущества и недостатки токовой петли 4…20 мА

Преимущества Недостатки
Основной стандарт во многих отраслях промышленности Одной токовой петле соответствует только один канал передачи данных
Возможность передачи значения только одной переменной
Простота в подключении и настройке Для одновременной работы нескольких каналов данных (для передачи значений нескольких переменных) требуется создать столько же токовых петель. Но использование большого количества проводов может приводить к проблемам с контурами заземления, если независимые петли не изолированы должным образом.
Сигнал не деградирует с увеличением дистанции Проблемы, связанные с изоляцией каналов, возрастают с увеличением количества каналов
Меньшая чувствительность к помехам –
Отсутствие тока указывает на ошибку в канале передачи данных –

Все датчики с интерфейсом 4…20 мА, в зависимости от конфигурации, могут быть разделены на три группы:

  1. двухпроводной (питаемый петлей) датчик 4…20 мА;
  2. трехпроводной датчик 4…20 мА;
  3. четырехпроводной датчик 4…20 мА.

Наиболее удобной конфигурацией является решение, питаемое петлей. Однако если сам датчик потребляет более 3…4 мА из бюджета петли 4…20 мА, то для его функционирования придется использовать дополнительный источник питания. При подключении таких датчиков придется использовать 4-проводную конфигурацию. 3-проводная конфигурация является упрощенной версией предыдущей, в которой объединен положительный вывод питания датчика с токовой петлей (рисунок 1б). На рисунке 1 показаны все описанные выше конфигурации. В таблице 2 приводятся преимущества и недостатки каждого из них.

Таблица 2. Преимущества и недостатки датчиков с разными схемами подключения

Конфигурация 2-проводная 3-проводная 4-проводная
Преимущества Не нужен локальный блок питания; малая стоимость; подходит для работы в агрессивных условиях Экономичнее варианта с четырьмя проводами; простота реализации; возможность использования устройств индикации и других устройств, требующих дополнительного питания; возможность использовать мощные выходы, реле Внешнее питание; возможность передавать переменный сигнал; изоляция цепи питания; возможность использования устройств индикации и других устройств, требующих дополнительного питания; возможность использовать мощные выходы, реле
Недостатки Падение напряжения на участках петли может вызвать проблемы; имеются ограничения по потреблению схемы Отсутствие изоляции петли питания; линии питания и петли нужно реализовывать с осторожностью Более высокая стоимость; больше проводов; неприменим в агрессивной среде эксплуатации

Применение MAX12900 в схемах датчиков с 2-, 3- или 4-проводными конфигурациями токовой петли

MAX12900 – это высокоинтегрированный аналоговый формирователь сигнала с ультрамалым потреблением для датчиков с передатчиком 2…20 мА. В его компактный корпус встроено 10 модулей:

  • LDO-преобразователь с широким входным диапазоном напряжений;
  • цепи обработки ШИМ-модулированных сигналов для двух входов;
  • два малопотребляющих операционных усилителя с малым дрейфом;
  • один операционный усилитель с малым дрейфом напряжения смещения и широкой полосой пропускания;
  • два диагностических компаратора;
  • контроллер включения с выходом индикации хорошего качества питания (power-good выход);
  • источник опорного напряжения с малым дрейфом.

Ключевое преимущество MAX12900 в том, что он может конвертировать ШИМ-сигнал микроконтроллера, который не обладает встроенным ЦАП, в сигнал петли 4…20мА для двух-, трех- или четырехпроводных конфигураций. Таким образом он является эквивалентом совокупности малопотребляющего ЦАП с высоким разрешением, обработчика ШИМ-сигнала, двух цепей обработки и активного фильтра с интегрированным малопотребляющим операционным усилителем. Две цепи обработки сигналов обеспечивают стабильную ШИМ-амплитуду, несмотря на колебания амплитуды сигнала, изменения температуры и напряжения питания. Усилитель с широкой полосой пропускания в сочетании с дискретным транзистором преобразует входное напряжение в выходной ток и позволяет использовать HART® и FOUNDATION Fieldbus H1 модуляцию сигнала. Благодаря ОУ с малым напряжением смещения и источнику опорного напряжения с низким дрейфом обеспечивается минимальный уровень ошибки в широком диапазоне температур. Малопотребляющий ОУ и компараторы являются блоками для создания продвинутых диагностических систем. Мониторинг шины питания, измерение выходного тока и детектирование разрыва цепи – вот некоторые примеры диагностических возможностей таких систем. Все это, наряду с высокой точностью и малым общим потреблением делает MAX12900 идеальным устройством для интеллектуальных датчиков с интерфейсом токовая петля.

Применение MAX12900 в качестве 2-проводного передатчика (питание через токовую петлю)

На рисунке 2 показана упрощенная блок-схема и модель того, как MAX12900 может быть сконфигурирован в качестве части датчика с питанием через петлю. Такая конфигурация требуется для систем, работающих в агрессивных средах, она должна соответствовать директиве ATEX Directive 94/9/EC и получить сертификат IECEx. Такая реализация схемы датчика возможна только в случаях, когда передатчик потребляет менее 4 мА. ШИМ-сигналы, генерируемые микроконтроллером, поступают на специальные цепи нормирования и обработки ШИМ-сигнала, встроенные в MAX12900. С использованием одного из встроенных операционных усилителей и внешней RC-цепи можно создать фильтр низких частот. Для конвертирования напряжения в ток используются внешние транзисторы.

На рисунке 3 показана реализация на уровне электрической принципиальной схемы двухпроводной токовой петли, питающей сенсор (обратите внимание, что весь выделенный бирюзовым цветом блок интегрирован в MAX12900).

Одни из наиболее распространенных датчиков такого типа – это датчики температуры. Давайте попробуем спроектировать передатчик датчика температуры на базе MAX12900 с применением прецизионной термопары и специализированного преобразователя сигнала термопары (MAX31856). MAX31856 обрабатывает сигнал с термопары и передает данные по интерфейсу SPI. Таким образом, чтобы считывать показания с датчика и генерировать ШИМ-сигналы для MAX12900, необходимо использовать микроконтроллер. В отладочном комплекте MAX12900EVKIT для этой задачи применяется микроконтроллер STM32L071 . Ключевой момент в такой схеме – оценить бюджет по потребляемой мощности для наихудших сценариев (максимальные потребления тока для всех рабочих значений температуры и напряжения). На основе этого можно принять решение о применении той или иной конфигурации токовой петли: двух-, трех- или четырехпроводной.

В соответствии с техническим описанием MAX12900EV, общее потребление малопотребляющего микроконтроллера и MAX12900 составляет 3,5 мА для худшего случая. MAX31856 потребляет максимум 2 мА при напряжении питания 3,3 В (таблица 3). Таким образом общее потребление превышает 4 мА, а это значит, что реализовать двухпроводной передатчик не представляется возможным.

Таблица 3. Потребление компонентов датчика температуры

Применение MAX12900 в схеме трехпроводного передатчика

Исключив возможность использовать двухпроводное решение, посмотрим, какова возможность проектирования трехпроводной схемы. Первое, что следует иметь в виду – это возможность применения только одного положительного вывода питания и для передачи данных, и для питания схемы. Напряжение 24 В (от ПЛК) является слишком высоким для микроконтроллера и MAX31856, для работы которых требуется напряжение 3,3 В. Существует несколько подходов решения этой проблемы. Первый – это использовать для преобразования 24 В в 3,3 В DC/DC-преобразователь, например, MAX17550 , как это изображено на рисунке 4. MAX17550 является ультракомпактным синхронным понижающим DC/DC-преобразователем с высоким КПД и выходным током до 25 мА. Для изоляции датчика/МК ШИМ-интерфейса с MAX12900 используется цифровой двухканальный изолятор MAX12930 . На рисунке 4 компоненты в пунктирном квадрате находятся в изолированным домене питания с плавающей землей, которая отличается от земли ПЛК.

Другой подход к решению проблемы с питанием – использовать линейный преобразователь напряжения с ультрамалым током покоя MAX15006AATT+ , который может обеспечить напряжение 3,3 В с током нагрузки до 50 мА, как это показано на рисунке 5.

Вторая проблема, о которой нужно помнить при разработке таких датчиков – плавающая земля передатчика. Датчик сам по себе, микроконтроллер и MAX12900 – передатчик для обмена данными – должны иметь общую шину земли. В то же самое время потенциал этой земли является плавающим потенциалом по отношению к земле ПЛК. Состояние плавающей земли зависит от передаваемых данных и уровня нагрузки петли. Для решения этой проблемы применяются несколько подходов, например использование двухканального малопотребляющего MAX12930 (как показано на рисунке 4) для изоляции PWMA- и PWMB-входов от передатчика.

Альтернативный подход заключается в том, чтобы использовать активную схему, которая занимается постоянным мониторингом и управляет общим уровнем земли микроконтроллера и датчика. Такой вариант реализации становится возможным и удобным благодаря присутствию ОУ общего назначения, а именно – OP2, интегрированного в MAX12900. Для этой схемы также требуется использовать внешний n-канальный MOSFET-транзистор с малым напряжением управления Q3 и PNP-транзистор общего назначения Q4, чтобы согласовать падения напряжения на RLOAD и RSENSE.

Применение MAX12900 в схемах с четырехпроводным передатчиком

Мы рассмотрели, как MAX12900 может быть применен в двух- и трехпроводных передатчиках. Реализация четырехпроводного решения по сравнению с ними очень проста, поскольку для датчика и ПЛК имеются отдельные контуры питания и земли.

Заключение

Ультрамалопотребляющий аналоговый формирователь сигнала MAX12900 производства компании Maxim Integrated для передатчиков 4…20 мА предлагает непревзойденный уровень гибкости в различных приложениях и идеально подходит для использования в промышленных датчиках для систем контроля и автоматизации, сигналы которых необходимо преобразовать в сигнал токовой петли 4…20 мА.

Токовая петля – это двухпроводной интерфейс передачи информации, где данные закладываются в значение тока.

Благодарности

Большое спасибо Михаилу Гуку за интересные книги. Некогда авторы начинали изучение современной электроники с энциклопедией и изданий этого замечательного человека. Без интернета учебники приходилось терпеливо перелистывать руками, а мышки бегали преимущественно в подполе.

Компания muRata постоянно снабжает читателей свежей информацией, значит, теперь в курсе новостей окажутся и читатели. Рассматриваемая продукция уже упоминается в разделе про герконовые датчики. Речь о новейшей разработке – RedRock.

Необходимость токовой петли

Токовая петля 4-20 мА считается распространённым протоколом передачи информации датчиков. В индустрии часто возникает необходимость измерения физических параметров, к примеру:

  • Давление;
  • Температура;
  • Поток жидкости.

Потребность возникает постоянно, когда информацию нужно передать на расстояния в сотни метров и более. Токовая петля считается медленным цифровым интерфейсом, и обусловлено это зарядом ёмкости кабеля от источника (что проявляется с ростом частоты), для аналоговых или дискретных устройств возможностей вполне хватает. Передатчики снабжаются аккумуляторами на 12 (реже) либо 24 В (чаще). Последние позволяют дальше передать информацию, значащим параметром становится ток, а не напряжение. Чем длиннее линия, тем ощутимее падение потенциала.

У приведённого технического решения есть пара недостатков. Во-первых, приходится использовать экранированные провода, во-вторых, увеличение дальности приводит к резкому снижению КПД. Типичная токовая петля состоит из четырёх компонентов:

  1. Источник питания. Месторасположение произвольное.
  2. Приёмник или монитор.
  3. Передатчик (сенсор).
  4. Преобразователь напряжения в ток.

Сенсоры выдают информацию, пропорциональную измеряемому параметру, представленному напряжением. Следовательно, нужно заняться преобразованием в ток. Потом информация кодируется либо по уровню тока, либо в двоичный вид: 4 мА – нуль, 20 мА – единичка. На стороне приёмника информация расшифровывается.

Поклонники цифровых технологий заявляют о низком быстродействии токовой петли. Действительно, при погонной ёмкости в 75 пФ/м километровый отрез провода образует конденсатор с номиналом 75 нФ. С ростом частоты сопротивление падает, эффект сглаживания и фильтрации не даёт правильно работать с информацией. За 19 мкс конденсатор наполняется полностью от напряжения 5 В, обусловливая замеченное ограничение в 9,6 кбит/сек.

Собственно токовая петля считается отжившим протоколом, на её место готовы прийти прочие, массово используемые, к примеру, MIDI и малоизвестный средь широкой публики промышленный интерфейс HART.

Общая информация

Первым сюрпризом становится отсутствие единых стандартов. Доминирующими стали протоколы 4-20 мА, 0-20 мА и 0-60 мА, жёстких правил нет. В токовой петле может передаваться любая информация. Если это двоичный код, единице соответствует наличие тока в размере 20 мА в зависимости от настроек системы, а нулю – отсутствие сигнала либо наличие 4 мА. Если при передаче пакета происходит разрыв линии, это непременно опознаётся через стоп-байт.

Интерфейс применялся с 50-х годов, первоначально единица кодировалась как 60 мА постоянного тока. Следовательно, КПД системы оказывался намного ниже. Петля на 20 мА появилась в 1962 году как сигнал для телетайпов – для дистанционной печати сообщений (соединяла две электрические печатные машинки). С началом 80-х ток попытались уменьшить, не всегда успешно. Решили сделать компромисс:

  1. 4 мА означает «живой» нуль. Чтобы система точно знала, не произошёл ли в сети обрыв.
  2. Единицей остаётся 20 мА.

Основным ограничением служит расстояние передачи информации. На параметр влияет битрейт: на километровых дистанциях допустимая скорость передачи информации составляет 9600 бит/сек. Выше 19,2 кбит/сек линию не используют. В итоге на дальность влияют электрические параметры линии и уровень помех. Токовую петлю предполагалось заменить по задумкам Fieldbus, в действительности в обиход вошёл стандартный сегодня RS-485 (1983 год) – вариант COM-порта. И поныне терминалы по протоколу RS-232 присоединяются при помощи токовой петли, а на приёмной стороне производится нужное преобразование. Иногда по протоколу работают избранные принтеры. Пусть теоретический предел здесь составляет 115 кбис/с, на практике применяется 9600.

Особенность токовой петли – в передатчике не обращают внимание на напряжение. Мощность бывает разной. Главное – выдержать значение тока, 20 мА. Следовательно, чем линия длиннее, тем меньше КПД. Это неукоснительно исполняемое правило. Периодически встречается токовая петля с гальванической развязкой. Для этого используются оптопары и подобные полупроводниковые конструкции.

Как правило, кабель используется экранированный, чтобы избежать параллельных ёмкостных помех, которые не удаётся компенсировать или отследить. Для создания сети неплохо подходит экранированная витая пара. Благодаря тесному переплетению проводов, она избавляет от внешних наводок в виде индуктивных и синфазных помех. Для создания дуплексного канала используют две витые пары, программно интерфейс управляется через методы XON/XOFF. Достойные специализированные приложения обходят затруднение созданием предварительных запросов на передачу и ответов.

На приёмнике ток преобразуют в напряжение при помощи резистивного делителя. В зависимости от вольтажа применяются сопротивления 125 – 500 Ом. Иногда на стороне передатчика или приёмника ставится адаптер (преобразователь сигнала) к последовательному интерфейсу COM-порта. Падение напряжения на резисторе высчитывается по закону Ома, к примеру, для номинала 250 Ом это составит 250 х 0,02 = 5 В. Соответственно, приёмник возможно откалибровать при необходимости на нужный уровень.

Где применяется токовая петля

  1. Контроль технологических процессов. На производстве токовая петля 4-20 мА считается главным аналоговым интерфейсом. Используется «живой» нуль, когда полное отсутствие сигнала означает обрыв линии. Ток в 4 мА иногда используется как питание для передатчика либо входящий сигнал модулируется датчиком и возвращается в виде информации. Встречаются цепи, где батарея стоит отдельно, тогда модулируется её сигнал. Ни приёмник, ни передатчик не тратят собственную энергию.
  2. Во времена аналоговой телефонии токовая петля оставалась излюбленным интерфейсом для подключения. И сегодня ещё находятся бьющиеся током провода в квартирах. Здесь телефон питается от станции и модулирует сигнал для вызова абонента. Как в случае с датчиком, описанным выше. Эти линии остались в качестве наследия былых времён. К примеру, компания Система Белла применяет питание постоянным током до 125 В.
  3. Токовая петля иногда используется для передачи информации уровнем сигнала. К примеру, 15 мА означает «горим!», 6 мА – «все в порядке», 0 мА - обрыв линии. Любой местечковый производитель устанавливает собственные правила и пользуется протоколом.
  4. В телефонии через токовую петлю может контролироваться базовая станция. Это называется «дистанционный контроль постоянным током». К примеру, Motorola MSF-5000 использует постоянные токи для 4 мА для передачи сервисных сигналов. Пример подобного протокола:
  • Нет тока – вести приём на 1 канале.
  • +6 мА – передавать на 1 канале.
  • -6 мА – принять информацию на 2 канале.
  • -12 мА – передать на 2 канале.

Интерфейс MIDI

MIDI формат популярен среди музыкантов, это специализированный протокол цифровой звукозаписи. На физическом уровне он организован по схеме токовой петли 5 мА. Разумеется, из-за разницы уровней единиц напрямую два стандарта передачи не совместимы. Согласно Михаилу Гуку, MIDI разработан в 1983 году и стал правилом де-факто подключения синтезаторов.

Википедия сообщает, что в июне 1981 года корпорация Роланд подала крупному производителю синтезаторов – Обергейм Электроникс – идею стандартного интерфейса. Уже в октябре Смит, Обергейм и Какихаши обсудили это с правлением Ямаха, Корг и Каваи, а в ноябре на выставке общества AES продемонстрировали первый работоспособный вариант.

Два года интерфейс находился на доработке, и в январе 1983-го Смит объединил через MIDI два аналоговых синтезатора. Это позволило напрямую перекачивать аранжировки и создавать новые музыкальные композиции. Позднее файлы MIDI введены в поддержку операционной системы Windows, позволяя авторам напрямую заниматься обработкой мелодий, насыщая их новыми спецэффектами, отсутствующими в оригинальных синтезаторах. Внедрение сэмплов различных инструментов позволяло исполнителю воспроизводить музыкальное сопровождение любой сложности.

Применение MIDI

В MIDI используются физические линии на 5 мА. Редко встречается 10. Гальваническая развязка осуществляется через оптрон. Характерной чертой признано инвертирование сигнала:

  1. Есть ток.
  2. Нет тока.

Поэтому MIDI напрямую не совместим с обычной токовой петлёй. Физический интерфейс видели многие, но не знали название. Визуально розетка представляет собой диск диэлектрика с боковым вырезом, по периметру расположены 5 отверстий (DIN). Конструкция охвачена по кругу экраном. Музыканты насчитывают три вида интерфейса:

  1. MIDI-In.
  2. MIDI-Out.
  3. MIDI-Thru.

Порт MIDI иногда стоит на материнской плате персонального компьютера. Физически задействуются в нормальном режиме не используемые контакты 12 и 15 порта игрового адаптера DB-15S. Используемая здесь логика ТТЛ требует наличия адаптера для стыковки со стандартными синтезаторами по протоколу токовой петли. Микросхема преобразователя не слишком сложная, включает оптрон, диод, ряд логических элементов.

Порт MIDI программируется через UART как последовательный COM-порт. В продаже есть звуковые карты с MIDI либо отдельные платы расширения на свободные слоты.

Протокол HART

Это развитие протокола Fieldbus, массово применяемое в промышленности. Подосновой становится токовая петля 4-20 мА, а значит, может использовать витые пары, оставшиеся от морально устаревших протоколов. Поначалу стандарт считался укзоспециализированным связным интерфейсом, но в 1986 году вышел на всеобщее обозрение. Передача по HART идёт полными пакетами, имеющими состав:

  1. Преамбула – 5-20 байт. Служит для синхронизации и определения несущей.
  2. Старт-байт – 1 байт. Указывает номер хозяина шины.
  3. Адрес – от 1 до 5 байт. Присваивается хозяину, слуге и служит специальным признаком пакетного режима.
  4. Расширение – от 0 до 3 байт. Его длина указывается в старт-байте.
  5. Команда – 1 байт. То, что слуга должен исполнить.
  6. Число байтов данных – 1 байт. Размер поля данных в байтах.
  7. Данные – от 0 до 255 байтов. Данные, помогающие расшифровать порядок действий.
  8. Проверочная сумма – 1 байт. Содержит результат логической операции XOR для всех байтов, кроме стартового и заключительного в блоке данных.

Разумеется, пакетная структура характерна для цифровых устройств, нуждается в расшифровке для правильного исполнения команды.