Konwerter 4…20 mA na 0…10 V

Konwersji prądu na napięcie najłatwiej można dokonać przy użyciu zwykłego rezystora, wówczas prawo Ohma „zrobi za nas resztę”. Niestety w przypadku standardu pętli prądowej 4…20 mA i typowej rezystancji obciążenia jej wyjścia, równej 250 Ω, uzyskamy napięcie stałe zmieniające się w przedziale 1…5 V. Taki zakres nie jest w pełni kompatybilny ze standardem 0…5 V ani tym bardziej z popularniejszym w aplikacjach przemysłowych 0…10 V, ponieważ nie wykorzystuje pełnego zakresu przetwarzania oferowanego przez przetwornik ADC na wejściu PLC.

Dlatego trzeba ów rezystor „obudować” kawałkiem prostej i taniej elektroniki, aby móc liniowo przekonwertować wyjście pętli prądowej 4…20 mA na wejście napięciowe 0…10 V. Warto zauważyć, że przerobienie wyjścia na zakres 0…5 V będzie już niezwykle proste – wystarczy zwykły dzielnik rezystancyjny! Ale to nie wszystko, bowiem wymiana dwóch rezystorów również umożliwi przystosowanie tego układu do pracy ze standardem 0…5 V.

Budowa

Schemat ideowy omawianego układu znajduje się na rysunku 1. Prąd wypływający z nadajnika pętli prądowej przepływa przez zaciski złącza J1 oraz rezystor R1, na którym wywołuje spadek napięcia, który następnie jest filtrowany dolnoprzepustowo przez prosty obwód składający się z rezystora R2 i kondensatora C1.

Rysunek 1. Schemat ideowy konwertera

Wstępnie odfiltrowane napięcie stałe z przedziału 1…5 V musi zostać „przesunięte” i wzmocnione do zakresu 0…10 V. Służy do tego wzmacniacz nieodwracający zrealizowany na wzmacniaczu operacyjnym US1A, w którym wejście nieodwracające jest polaryzowane potencjałem pochodzącym z dzielnika napięciowego, składającego się z rezystorów R3 i R4. Jednocześnie wzmocnienie owego wzmacniacza ustalone jest przez rezystor R5 i wypadkową rezystancję wyjściową dzielnika R3+R4. Kondensator C2 ogranicza pasmo przenoszenia omawianego wzmacniacza, przez co zmniejsza wartość skuteczną napięcia szumów na wyjściu. Rezystor R6, połączony szeregowo z wyjściem wzmacniacza operacyjnego US1A, ma za zadanie zapobiec jego wzbudzeniu przy sterowaniu obciążenia o charakterze silnie pojemnościowym, np. długiego przewodu ekranowanego.

Rezystor R2 nie tylko współtworzy filtr dolnoprzepustowy, ale stanowi również kompensację prądu polaryzującego bazę tranzystora wejściowego we wzmacniaczu US1A. Wypadkowa rezystancja obwodu zasilającego jego wejście odwracające wynosi 4 kΩ. Z kolei wejście nieodwracające „widzi” połączone szeregowo rezystory R1 i R2, ponieważ rezystancja wewnętrzna źródła prądu (nadajnika pętli prądowej) jest bardzo wysoka. Teoretycznie rzecz ujmując, R2 powinien mieć rezystancję 3751 Ω, ale znajdująca się w szeregu wartość 3,9 kΩ z dobrym przybliżeniem sprawdzi się w tym miejscu.

Do prawidłowej pracy wyżej opisanego wzmacniacza potrzebne jest napięcie referencyjne równe 5 V. Zdecydowałem się użyć w tym miejscu popularnego stabilizatora typu LM317, w układzie umożliwiającym regulację napięcia wyjściowego w niewielkim zakresie przy użyciu potencjometru wieloobrotowego. W ten sposób można uzyskać napięcie 5 V, niezależnie od rozrzutów wartości rezystorów, jak i źródła napięcia odniesienia zawartego w strutkurze LM317. Przy okazji z wyjścia tak powstałego stabilizatora można pobierać prąd o nieco większym natężeniu, co jest przydatne do zasilania całego układu. Kondensator C7 zmniejsza tętnienia napięcia wyjściowego poprzez poprawę współczynnika tłumienia tętnień (PSRR).

Układ LM358 może teoretycznie pracować przy asymetrycznym zasilaniu, jednak pojawia się wtedy problem z uzyskaniem zerowego napięcia na wyjściu. Aby poprawić parametry urządzenia w zakresie niskich napięć wyjściowych, do układu dodany został prosty generator napięcia ujemnego. Znany, popularny i nadal lubiany układ typu 555 pracuje w roli generatora astabilnego o wypełnieniu impulsów wyjściowych około 50%. Z uwagi na maksymalne napięcie zasilania równe 18 V jest on zasilany przez opisany już wcześniej stabilizator. Wyjście tego układu czasowego steruje prostym, diodowo-kondensatorowym odwracaczem napięcia, dając napięcie wyjściowe na poziomie około –3 V. To niewiele, ale w pełni wystarczy do poprawienia pracy układu LM358 przy niskim wysterowaniu wyjścia.

Układ LM358 zawiera w swojej strukturze dwa wzmacniacze operacyjne. Drugi, nieużywany wzmacniacz został połączony jako wtórnik napięciowy, którego wejście spolaryzowano potencjałem 5 V z wyjścia stabilizatora. Teoretycznie można byłoby zrealizować na nim generator astabilny, pozbywając się dodatkowego układu 555, ale wiążą się z tym dwa problemy: pierwszy wynika z faktu, że układ ten zasilałby... sam siebie, gdyż ujemne napięcie przezeń wytworzone miałoby trafiać na ujemną linię zasilającą tegoż układu – a to mogłoby powodować problemy ze wzbudzeniem generatora. Po drugie, impulsy wytwarzane w jednej części struktury krzemowej mogłyby przenikać do sąsiedniej, realizującej wzmacniacz napięciowy. Dlatego zdecydowałem się na użycie całkiem oddzielnej kostki do realizacji zasilacza napięcia ujemnego, kosztem nawet niewielkiej rozbudowy układu.

Montaż i uruchomienie

Układ został zmontowany na jednostronnej płytce drukowanej o wymiarach 60 mm×40 mm (rysunek 2). W odległości 3 mm od krawędzi płytki znalazły się cztery otwory montażowe, każdy o średnicy 3,2 mm.

Rysunek 2. Schemat montażowy i wzór ścieżek płytki

Montaż proponuję przeprowadzić w sposób typowy, czyli rozpoczynając od elementów o najmniejszej wysokości obudowy, w tym wypadku rezystorów i diod półprzewodnikowych. Pod układy scalone w obudowach DIP8 proponuję zastosować podstawki, aby ułatwić ich wymianę w razie uszkodzenia. Zmontowany układ można zobaczyć na fotografii 1.

Fotografia 1. Zmontowany układ prototypowy

Na etapie uruchamiania jest konieczne ustawienie napięcie referencyjnego 5 V przy użyciu potencjometru P1. W tym celu należy podłączyć zasilanie do zacisków złącza J3 – powinno to być napięcie stałe z przedziału 15…32 V, dobrze filtrowane z tętnień, choć niekoniecznie stabilizowane. Można do tego użyć napięcia 24 V, którym często są zasilane sterowniki PLC i ich czujniki. Dolny limit dopuszczalnego napięcia zasilania wynika z konieczności zapewnienia prawidłowej pracy stopnia wyjściowego wzmacniacza operacyjnego przy napięciu wyjściowym równym 10 V, zaś maksymalna – z wytrzymałości elementów.

Po zasileniu układu należy włączyć woltomierz o możliwie wysokiej dokładności pomiędzy masę układu (zacisk GND) a pole lutownicze PAD1 i tak ustawić potencjometr P1, by wskazywane przez przyrząd napięcie było równe 5 V. Ma to wpływ na błąd późniejszego przetwarzania prądu na napięcie, więc im dokładniej ten etap zostanie wykonany, tym lepiej dla późniejszego działania układu. Zamiast podłączać końcówkę woltomierza do pola PAD1, można również przytknąć ją do metalowej wkładki chłodzącej układu US2 – znajduje się ona na tym samym potencjale, a jest znacznie lepiej dostępna.

Poprawnie wyregulowany układ jest gotowy do działania. Wejściem układu są zaciski złącza J1, do którego należy podłączyć wyjście nadajnika pętli prądowej. Na zaciskach złącza J2 dostępne jest napięcie liniowo odwzorowujące wejściowy prąd (ze stosownym offsetem): prądowi 4 mA odpowiada napięcie 0 V, zaś prądowi 20 mA – napięcie 10 V. Jeżeli wejściowy prąd jest niższy niż 4 mA (na przykład po rozwarciu pętli prądowej), napięcie wyjściowe staje się ujemne, jednak nie niższe niż około –2 V. Rezystor wyjściowy R6 może w tej sytuacji ograniczyć prąd płynący przez diody zabezpieczające wejście następnego stopnia.

Rezystancja wyjściowa równa nieco ponad 100 Ω powinna być uwzględniona na etapie dokonywania połączeń, bowiem zbyt niska rezystancja wejściowa układu mierzącego to napięcie może wprowadzać zafałszowanie wyniku. Typowe sterowniki PLC mają rezystancję wejściową równą 100 kΩ, więc rezystor R6 wprowadzi tu niezauważalnie mały błąd – większy będzie wynikał ze zwykłego rozrzutu elementów. Ale rezystor R6 powinien zostać uwzględniony również przy tworzeniu dzielnika napięciowego

w celu uzyskania kompatybilności ze standardem 0…5 V (rysunek 3). Zaproponowane wartości elementów zapewniają równy podział napięcia przez 2, ponieważ „górna” gałąź owego dzielnika zawiera rezystory o wypadkowej rezystancji mniejszej o 100 Ω od „dolnej” gałęzi. Rezystancja wyjściowa takiego tworu wynosi 500 Ω i będzie wystarczająca w większości zastosowań, na przykład do sprzęgnięcia z wejściem przetwornika analogowo-cyfrowego mikrokontrolera. Można też dokonać innej modyfikacji tego układu. Aby jego wyjście napięciowe zmieniało się w granicach 0…5 V, wystarczy wymienić rezystory R3 i R4 na 30 kΩ o tolerancji 1%. Wówczas rezystancja wyjściowa będzie wciąż na poziomie 100 Ω.

Rysunek 3. Przykład podłączenia dzielnika napięcia w celu uzyskania zakresu napięcia wyjściowego 0…5 V

Układ LM317 nie wymaga radiatora. Maksymalna moc tracona w jego strukturze nie powinna przekraczać wartości około 0,5 W, z czym obudowa TO220 poradzi sobie doskonale. Jedynie w sytuacji, kiedy układ byłby zamknięty w szczelnej i ciasnej obudowie, mogłoby być przydatne wlutowanie tego stabilizatora na dłuższych nóżkach i przykręcenie doń radiatora, ponieważ w takich warunkach sama metalowa wkładka może okazać się niewystarczająca. Uwaga ta dotyczy zwłaszcza pracy przy wyższym napięciu zasilającym, to jest 24 V lub więcej.

Michał Kurzela, EP