Jak zaprojektować odbiornik pętli prądowej 4-20mA przy użyciu minimalnej liczby komponentów?

Od zawsze jestem fanem Gordona Ramsaya. Nigdy nie przestaje mnie zadziwiać swoim barwnym słownikiem przekleństw, który staje się szczególnie przydatny, gdy pechowi zawodnicy „Hell’s Kitchen” serwują surowe małże. To, co jednak najbardziej mi zaimponowało, to jego podejście do kuchni azjatyckiej. Sytuacja wtedy została odwrócona, a on dołożył trudu, aby przekonać się, że dobra kuchnia azjatycka całkowicie różni się od jego standardowej wołowiny Wellington. 

^{Kontrola procesu: właśnie tu króluje 4-20 mA}

Doświadczyłem czegoś podobnego, gdy przeszedłem na projektowanie analogowe w branży zdominowanej przez programowalne sterowniki logiczne (PLC) po 5 latach projektowania wyłącznie elektroniki cyfrowej. Pierwszy raz zaznałem efektu „wkroczenia Ramsaya w świat kuchni azjatyckiej” podczas pracy nad pierwszym projektem, który obejmował wiele odbiorników pętli prądowych 4-20 mA z 8-bitowym mikrokontrolerem jako budżetową opcją zlokalizowaną dla sterowników PLC. Dla eksperta w dziedzinie kontroli procesu analogowego byłaby to bułka z masłem, ale ja nieco zboczyłem z drogi, próbując konwertować przepływ prądu w znane i uwielbiane przeze mnie odczyty cyfrowe.

Krótko na temat pętli prądowej 4-20 mA

Jeśli jesteś takim ignorantem, jak ja wcześniej, to wiedz, że 4-20 mA jest wręcz standardem w branży kontrolnej. Przetworniki 4-20 mA znajdziesz w HVAC, produkcji, centrach danych lub wszelkiej innej branży zdominowanej przez sterowniki PLC. Używa się ich powszechnie tam, gdzie parametry mierzone za pomocą czujnika są reprezentowane przez prąd stały o natężeniu w zakresie od 4 do 20 mA. 

Jeśli przez całą swoją karierę projektanta skupiasz się wyłącznie na elektronice cyfrowej, w końcu zaczynasz się zastanawiać: dlaczego nie używa się napięcia do transmisji sygnału o zmierzonym napięciu? I dlaczego nie 0-20 mA?

Po pierwsze: musisz zrozumieć, że proces kontroli i automatyzacji w dużej mierze zależy od dokładności mierzonych parametrów, a płytki często działają w trudnych warunkach elektrycznych. Analogowe sygnały napięcia, które dobrze działają w zamkniętej elektronice cyfrowej, mogą doświadczać zakłóceń elektrycznych z przekaźników i elektromagnesów lub spadku napięcia przez długie linie transmisyjne. 

^{Powrót do podstaw – prawo Ohma}

Musisz wrócić do podstaw, aby zrozumieć transmisję pętli prądowej 4-20 mA. Pamiętasz prawo Ohma ze słynnym wzorem I = V / R? Napięcie może spadać podczas przemieszczania się po kablach czujnika, ale przepływający przez nie prąd pozostaje stały. Dzięki temu przepływ prądu może być lepszym parametrem mierniczym pod względem stabilności i ciągłości. 

Jeśli chodzi o to, dlaczego parametry zaczynają się od 4 mA, a nie 0 mA… W ten sposób po prostu łatwiej wykrywa się usterki. Wszystko poniżej 4 mA wskazuje na wadliwy czujnik lub uszkodzony kabel.

Prosty i skuteczny odbiornik pętli prądowej z minimalną liczbą komponentów

Zanim skupiłem się na rozwijaniu własnego małego biznesu produkcyjnego, zajmowałem się samą elektroniką. Gdyby wtedy przyszło mi przekonwertować natężenie prądu na napięcie, użyłbym do tego dowolnego układu scalonego  (IC) , aby szybko sobie z tym poradzić. Na pewno nie skorzystałbym z precyzyjnego odbiornika-amplifikatora 4-20 mA, bo nawet nie przyszłoby mi na myśl, aby zastanowić się nad jego kosztami i prostotą aplikacji. Dla projektantów, którzy nie zagłębiają się w projektowanie analogowe, jest to zupełnie inny świat. Trzeba pracować z szumami sygnału, zakłóceniami i pętlami uziemienia. Specjalistyczna precyzja IC może być atrakcyjnym rozwiązaniem, ale znacząco podniesie koszty samego projektu. 

Teraz, gdy już mam niewielką firmę, muszę też zastanawiać się nad tym, co jest dobre z punktu widzenia sprzedaży i produkcji. Z przyjemnością zmniejszam koszty, jednocześnie pamiętając o funkcjonalności swoich projektów. Jeśli chodzi o konwertowanie napięcia na natężenie, najlepsze rozwiązanie pokrywa się z moją filozofią dbania o prostotę – użyj jednego opornika o niskiej tolerancji. Zauważyłem, że odpowiedź na temat projektowania minimalnego odbiornika 4-20 mA również wynika z prawa Ohma oraz połączenia umiejętności projektowania uziemienia ze zdolnością utrzymania integralności systemu.

^{Proste rozwiązania zawsze działają najlepiej}

Aby przekonwertować sygnał prądu w mierzalne natężenie, po prostu przepuść sygnał prądowy 4-30 mA przez bardzo precyzyjny opornik, zanim powróci on do uziemienia. Opornik 250 Ohm daje odczyt 5 V przy 20 A. W moim przypadku zastosowałem opornik 165 Ohm do odczytu pełnego natężenia 3,3 V, ponieważ jest to natężenie, jakie wykorzystuje do pracy mój mikrokontroler. Gdy wybierzesz odpowiednią wartość opornika, pozostanie Ci już tylko podłączyć opornik do pinu konwertera analogowo-cyfrowego (ADC) mikrokontrolera w celu przekształcenia odczytów w wartości cyfrowe. 

Czy pojedynczy precyzyjny opornik rzeczywiście dobrze sprawdza się w aplikacjach kontroli procesu? 

Szczerze mówiąc, miałem wątpliwości co do tego, czy pojedynczy opornik precyzyjny, który kosztuje ~1% ceny specjalistycznego i wysoce precyzyjnego układu scalonego (IC), może być wystarczająco dobry we wszystkich aplikacjach. Układy scalone wykorzystywane są w końcu nie bez powodu, a mianowicie w celu otrzymywania dokładnych odczytów z czujników. Separując uziemienie analogowe i cyfrowe za pomocą pojedynczego punktu oraz izolując sygnały analogowe od szybkich danych, możesz jednak uzyskać niezawodny odczyt danych za pomocą wyłącznie jednego opornika.

Osobiście stworzyłem niezawodne płytki PCB, które wykorzystują tylko wysokiej precyzji oporniki dla wielu odbiorników 4-20 mA – dla kontrolerów przemysłowych osuszaczy powietrza i systemów monitorowania sal operacyjnych. Jeśli chodzi o dodatkowe filtrowanie i przetwarzanie sygnału, współczesne mikrokontrolery są wyposażone w doskonałe konwertery analogowo-cyfrowe, z których powinno się korzystać.

Teraz, gdy już wiesz, jak przyspieszyć projektowanie odbiornika pętli prądowej 4-20 mA, potrzebujesz odpowiedniego oprogramowania. CircuitStudio^® może pomóc Ci stworzyć profesjonalne płytki drukowane, jednocześnie uwzględniając Twój budżet.

Masz jakieś pytania na temat odbiorników pętli prądowych? Skontaktuj się z ekspertem z Altium już dzisiaj.

Jeśli przeczytałeś ten artykuł, ale wciąż nie używasz Altium, koniecznie zapoznaj się z naszą darmową wersją, aby dowiedzieć się, dlaczego Altium jest najlepszym profesjonalnym oprogramowaniem do projektowania PCB.

Chętnie poznamy Twoją opinię i przemyślenia. Zachęcamy do podzielenia się nimi w komentarzu poniżej.