Як реалізувати передавач струмової петлі 4-20 мА на базі MAX12900
- Застосування MAX12900 в схемах датчиків з 2-, 3- або 4-дротяними конфігураціями струмового петлі
- Застосування MAX12900 як 2-х провідного передавача (харчування через струмовий петлю)
- Застосування MAX12900 в схемі трипровідною передавача
- Застосування MAX12900 в схемах з чотирьох провідних передавачем
- висновок
Юрій Курцева (Maxim Integrated)
Високо інтегрований аналоговий формувач сигналу струмової петлі 4-20 мА MAX 12900 виробництва Maxim Integrated може конвертувати ШІМ - сигнал мікроконтролера, який не володіє вбудованим ЦАП, в сигнал петлі 4 ... 20мА для двох-, трьох- або чотирьох провідних конфігурацій.
Струмова петля 4 ... 20 мА на сьогоднішній день є одним з найбільш популярних методів передачі даних у багатьох галузях промисловості. Завдяки своїй стійкості до перешкод при передачі сигналу від передавача до приймача вона ідеально підходить для таких завдань. Інша перевага - відносна простота і бюджетность методу. Хоча, звичайно, необхідність контролю за падінням напруги в деяких ділянках ланцюга і за рядом інших параметрів часто призводить до ускладнення схеми і збільшення вартості рішення. У таблиці 1 узагальнюються переваги і недоліки методу передачі даних на основі струмової петлі 4 ... 20 мА.
Таблиця 1. Переваги та недоліки струмової петлі 4 ... 20 мА
Переваги Недоліки Основний стандарт у багатьох галузях промисловості Однією струмового петлі відповідає тільки один канал передачі даних
Можливість передачі значення тільки однієї змінної Простота в підключенні і налаштуванні Для одночасної роботи декількох каналів даних (для передачі значень декількох змінних) потрібно створити стільки ж струмових петель. Але використання великої кількості проводів може призводити до проблем з контурами заземлення, якщо незалежні петлі не ізольовані належним чином. Сигнал НЕ деградує зі збільшенням дистанції Проблеми, пов'язані з ізоляцією каналів, зростають зі збільшенням кількості каналів Менша чутливість до перешкод - Відсутність струму вказує на помилку в каналі передачі даних -
Всі датчики з інтерфейсом 4 ... 20 мА, в залежності від конфігурації, можуть бути розділені на три групи:
- двухпроводной (живиться петлею) датчик 4 ... 20 мА;
- трехпроводной датчик 4 ... 20 мА;
- чьотирьох датчик 4 ... 20 мА.
Найбільш зручною конфігурацією є рішення, що живиться петлею. Однак якщо сам датчик споживає понад 3 ... 4 мА з бюджету петлі 4 ... 20 мА, то для його функціонування доведеться використовувати додаткове джерело живлення. При підключенні таких датчиків доведеться використовувати 4-дротову конфігурацію. 3-дротова конфігурація є спрощеною версією попередньої, в якій об'єднано позитивний висновок харчування датчика з струмового петлею (рисунок 1б). На малюнку 1 показані всі описані вище конфігурації. У таблиці 2 наводяться переваги і недоліки кожного з них.
Мал. 1. Способи підключення датчика за схемою з струмового петлею
Таблиця 2. Переваги і недоліки датчиків з різними схемами підключення
Конфігурація 2-дротова 3-дротова 4-дротова Переваги Чи не потрібен локальний блок живлення; низька ціна; підходить для роботи в агресивних умовах Економічніше варіанту з чотирма проводами; простота реалізації; можливість використання пристроїв індикації і інших пристроїв, що вимагають додаткового харчування; можливість використовувати потужні виходи, реле Зовнішнє живлення; можливість передавати змінний сигнал; ізоляція ланцюга харчування; можливість використання пристроїв індикації і інших пристроїв, що вимагають додаткового харчування; можливість використовувати потужні виходи, реле Недоліки Падіння напруги на ділянках петлі може викликати проблеми; можуть бути встановлені обмеження щодо споживання схеми Відсутність ізоляції петлі харчування; лінії живлення і петлі потрібно реалізовувати з обережністю Більш висока вартість; більше проводів; непридатний в агресивному середовищі експлуатації
Застосування MAX12900 в схемах датчиків з 2-, 3- або 4-дротяними конфігураціями струмового петлі
MAX12900 - це високо інтегрований аналоговий формувач сигналу з ультрамалих споживанням для датчиків з передавачем 2 ... 20 мА. У його компактний корпус вбудовано 10 модулів:
- LDO-перетворювач з широким вхідним діапазоном напруг;
- ланцюги обробки ШІМ-модульованих сигналів для двох входів;
- два малопотребляющіх операційних підсилювача з малим дрейфом;
- один операційний підсилювач з малим дрейфом напруги зсуву і широкою смугою пропускання;
- два діагностичних компаратора;
- контролер включення з виходом індикації хорошої якості харчування (power-good вихід);
- джерело опорного напруги з малим дрейфом.
Ключова перевага MAX12900 в тому, що він може конвертувати ШІМ-сигнал мікроконтролера, який не володіє вбудованим ЦАП, в сигнал петлі 4 ... 20мА для двох-, трьох- або чотирьох провідних конфігурацій. Таким чином він є еквівалентом сукупності малопотребляющего ЦАП з високою роздільною здатністю, обробника ШІМ-сигналу, двох ланцюгів обробки і активного фільтра з інтегрованим малопотребляющім операційним підсилювачем. Дві ланцюга обробки сигналів забезпечують стабільну ШІМ-амплітуду, незважаючи на коливання амплітуди сигналу, зміни температури і напруги живлення. Підсилювач з широкою смугою пропускання в поєднанні з дискретним транзистором перетворює вхідну напругу в вихідний струм і дозволяє використовувати HART® і FOUNDATION Fieldbus H1 модуляцію сигналу. Завдяки ОУ з малим напругою зміщення і джерела опорного напруги з низьким дрейфом забезпечується мінімальний рівень помилки в широкому діапазоні температур. Малопотребляющій ОУ і компаратори є блоками для створення просунутих діагностичних систем. Моніторинг шини харчування, вимір вихідного струму і детектування розриву ланцюга - ось деякі приклади діагностичних можливостей таких систем. Все це, поряд з високою точністю і малим загальним споживанням робить MAX12900 ідеальним пристроєм для інтелектуальних датчиків з інтерфейсом струмова петля.
Застосування MAX12900 як 2-х провідного передавача (харчування через струмовий петлю)
На малюнку 2 показана спрощена блок-схема і модель того, як MAX12900 може бути налаштований в якості частини датчика з харчуванням через петлю. Така конфігурація потрібна для систем, що працюють в агресивних середовищах, вона повинна відповідати директиві ATEX Directive 94/9 / EC і отримати сертифікат IECEx. Така реалізація схеми датчика можлива тільки у випадках, коли передавач споживає менше 4 мА. ШІМ-сигнали, які генеруються мікро контролером, надходять на спеціальні ланцюги нормування і обробки ШІМ-сигналу, вбудовані в MAX12900. З використанням одного з вбудованих операційних підсилювачів і зовнішньої RC-ланцюга можна створити фільтр низьких частот. Для конвертації напруги в струм використовуються зовнішні транзистори.
Мал. 2. Блок-схема датчика на базі струмового петлі із застосуванням MAX12900
На малюнку 3 показана реалізація на рівні електричної принципової схеми двухпроводной струмової петлі, що живить сенсор (зверніть увагу, що весь виділений бірюзовим кольором блок інтегрований в MAX12900).
Мал. 3. Конфігурація передавача, що живиться 4-20мА струмового петлею, на базі MAX12900
Одні з найбільш поширених датчиків такого типу - це датчики температури. Давайте спробуємо спроектувати передавач датчика температури на базі MAX12900 із застосуванням прецизійної термопари і спеціалізованого перетворювача сигналу термопари ( MAX31856 ). MAX31856 обробляє сигнал з термопари і передає дані по інтерфейсу SPI. Таким чином, щоб прочитувати свідчення з датчика і генерувати ШІМ-сигнали для MAX12900, необхідно використовувати мікроконтролер. У отладочном комплекті MAX12900EVKIT для цього завдання застосовується мікроконтролер STM32L071 . Ключовий момент у такій схемі - оцінити бюджет по споживаної потужності для найгірших сценаріїв (максимальні споживання струму для всіх робочих значень температури і напруги). На основі цього можна прийняти рішення про застосування тієї чи іншої конфігурації струмового петлі: дво-, три- або чьотирьох.
Відповідно до технічним описом MAX12900EV, загальне споживання малопотребляющего мікроконтролера і MAX12900 становить 3,5 мА для гіршого випадку. MAX31856 споживає максимум 2 мА при напрузі живлення 3,3 В (таблиця 3). Таким чином загальне споживання перевищує 4 мА, а це значить, що реалізувати двухпроводной передавач не представляється можливим.
Таблиця 3. Споживання компонентів датчика температури
Пристрій Споживання струму, мА MAX31856 2 MAX12900 + STM32L071 3,5 Разом: 5,5 мА (> 4мА)
Застосування MAX12900 в схемі трипровідною передавача
Виключивши можливість використовувати двопровідне рішення, подивимося, яка можливість проектування трехпроводной схеми. Перше, що слід мати на увазі - це можливість застосування тільки одного позитивного висновку харчування і для передачі даних, і для живлення схеми. Напруга 24 В (від ПЛК) є занадто високим для мікроконтролера і MAX31856, для роботи яких потрібна напруга 3,3 В. Існує кілька підходів вирішення цієї проблеми. Перший - це використовувати для перетворення 24 В в 3,3 В DC / DC-перетворювач, наприклад, MAX17550 , Як це зображено на малюнку 4. MAX17550 є ультракомпактним синхронним знижувальним DC / DC-перетворювачем з високим ККД і вихідним струмом до 25 мА. Для ізоляції датчика / МК ШІМ-інтерфейсу з MAX12900 використовується цифровий двоканальний ізолятор MAX12930 . На малюнку 4 компоненти в пунктирному квадраті знаходяться в ізольованим домені харчування з плаваючою землею, яка відрізняється від землі ПЛК.
Мал. 4. трипровідні схема передавача з DC / DC-перетворювачем
Інший підхід до вирішення проблеми з харчуванням - використовувати лінійний перетворювач напруги з ультрамалих струмом спокою MAX15006AATT + , Який може забезпечити напруга 3,3 В з струмом навантаження до 50 мА, як це показано на малюнку 5.
Мал. 5. трипровідні схема передавача сенсора з лінійним перетворювачем напруги
Друга проблема, про яку потрібно пам'ятати при розробці таких датчиків - плаваюча земля передавача. Датчик сам по собі, мікроконтролер і MAX12900 - передавач для обміну даними - повинні мати загальну шину землі. У той же самий час потенціал цієї землі є плаваючим потенціалом по відношенню до землі ПЛК. Стан плаваючою землі залежить від переданих даних і рівня навантаження петлі. Для вирішення цієї проблеми застосовуються кілька підходів, наприклад використання двоканального малопотребляющего MAX12930 (як показано на малюнку 4) для ізоляції PWMA- і PWMB-входів від передавача.
Альтернативний підхід полягає в тому, щоб використовувати активну схему, яка займається постійним моніторингом і управляє загальним рівнем землі мікроконтролера і датчика. Такий варіант реалізації стає можливим і зручним завдяки присутності ОУ загального призначення, а саме - OP2, інтегрованого в MAX12900. Для цієї схеми також потрібно використовувати зовнішній n-канальний MOSFET-транзистор з малим напругою управління Q3 і PNP-транзистор загального призначення Q4, щоб узгодити падіння напруги на RLOAD і RSENSE.
Застосування MAX12900 в схемах з чотирьох провідних передавачем
Ми розглянули, як MAX12900 може бути застосований в дво- і трьохпровідних передавачах. Реалізація чьотирьох рішення в порівнянні з ними дуже проста, оскільки для датчика і ПЛК є окремі контури харчування і землі.
висновок
Ультрамалопотребляющій аналоговий формувач сигналу MAX12900 виробництва компанії Maxim Integrated для передавачів 4 ... 20 мА пропонує неперевершений рівень гнучкості в різних додатках і ідеально підходить для використання в промислових датчиках для систем контролю і автоматизації, сигнали яких необхідно перетворити в сигнал струмового петлі 4 ... 20 мА.
оригінал статті
•••