В различных механических автоматизационных приложениях система с питанием от петли 4-20 мА широко используется в различных системах управления технологическими процессами из-за своей надежности, способности к передаче на большие расстояния и превосходных характеристик синхронной передачи управления и данных. В последние годы быстрый прогресс в области низкоэнергетических технологий привлек все больше внимания к конфигурируемым передатчикам/приемникам с питанием от петли 4-20 мА, основанным на низкоэнергетических инструментальных усилителях. Эта статья направлена на представление принципов работы, особенностей проектирования, преимуществ применения и практических примеров использования этой технологии.

Технические принципы и особенности проектирования

Основные компоненты конфигурируемых передатчиков/приемников - это низкоэнергетические инструментальные усилители, такие как AD8420, AD627 и AD8236. Эти усилители известны не только своими низкоэнергетическими характеристиками, но и высоко гибкими входными и выходными возможностями, что делает их особенно подходящими для низкоэнергетических и высокоточных промышленных приложений.

AD8420

AD8420 - это инструментальный усилитель, основанный на архитектуре косвенной обратной связи по току, с выходным напряжением от шины до шины, независимым от входного напряжения общего режима. Это позволяет легко усиливать сигналы, близкие к уровню земли, без необходимости в двух источниках питания, что важно во многих промышленных приложениях. Кроме того, усиление AD8420 может быть установлено с помощью двух внешних резисторов в диапазоне от 1 до 1000, что обеспечивает большую гибкость для различных сценариев применения.

AD627

Еще один низкоэнергетический инструментальный усилитель, AD627, предлагает отличную гибкость и низкоэнергетические характеристики. Он может питаться от одного или двух источников питания (+2,2 В до ±18 В) с максимальным потреблением мощности всего 85 мкА. Усиление AD627 также может гибко настраиваться с помощью внешнего резистора в диапазоне от 5 до 1000, что делает его подходящим для различных высокоточных сценариев усиления сигналов.

Преимущества применения

Использование низкоэнергетических инструментальных усилителей наделяет всю систему передатчика/приемника чрезвычайно низким энергопотреблением, что особенно подходит для сценариев с питанием от батареи и петли, где предъявляются строгие требования к энергопотреблению. Эти устройства достигают высокой точности с общей погрешностью менее 1% благодаря точному схемотехническому решению и высокоточным резистивным сетям. Кроме того, высокая гибкость дизайна позволяет одной и той же аппаратной платформе одновременно удовлетворять различные потребности передатчиков и приемников, что эффективно снижает давление на запасы.

Практические примеры применения

В области управления технологическими процессами конфигурируемые передатчики/приемники с питанием от петли 4-20 мА широко используются в измерении давления, контроле температуры, мониторинге потока и других сценариях. Например, в измерении давления датчик преобразует сигнал давления в изменения сопротивления, которые, после обработки мостовой схемой и инструментальным усилителем, передаются в систему управления в виде токового сигнала 4-20 мА.

Настройка передатчика

В режиме настройки передатчика такие устройства могут обрабатывать входные напряжения в диапазоне от 0 В до 5 В или от 0 В до 10 В и преобразовывать их в выходной ток 4-20 мА с помощью внутренних прецизионных схем. На примере AD8420 входное напряжение преобразуется в дифференциальный сигнал напряжения (в пределах ±1 В), который может быть обработан AD8420 путем настройки резистивной сети. Впоследствии архитектура косвенной обратной связи по току AD8420 преобразует этот дифференциальный сигнал в соответствующий выходной ток, который затем преобразуется в ток петли 4-20 мА через измерительный резистор (например, 50 Ом). Общий ток потребления всей схемы составляет около 1 мА, что делает её особенно подходящей для сценариев с питанием от петли.

Настройка приемника

В режиме настройки приемника такие устройства могут преобразовывать входной ток 4-20 мА в выходное напряжение. Диапазон выходного напряжения может быть настроен в пределах от 0,2 В до 2,3 В или от 0,2 В до 4,8 В, в зависимости от необходимости, для совместимости с АЦП, использующими опорное напряжение 2,5 В или 5 В. Высокоимпедансный вывод опорного напряжения инструментальных усилителей, таких как AD8420, не требует дополнительного операционного усилителя, что снижает энергопотребление, затраты и требования к пространству в схеме приемника.

Перспективы на будущее

С дальнейшим развитием низкоэнергетических технологий и непрерывным снижением затрат конфигурируемые передатчики/приемники с питанием от петли 4-20 мА, основанные на низкоэнергетических инструментальных усилителях, будут применяться в большем числе промышленных областей. В будущем устройства станут более интеллектуальными, интегрированными и модульными, чтобы удовлетворить растущий спрос на промышленное управление. Между тем, по мере развития технологий беспроводной передачи, на рынок постепенно будут выходить беспроводные версии передатчиков/приемников с питанием от петли 4-20 мА, что обеспечит большее удобство в области промышленного управления.

Вышеизложенный анализ показывает, что использование низкоэнергетических инструментальных усилителей делает конфигурируемые передатчики/приемники с питанием от петли 4-20 мА чрезвычайно перспективными и востребованными на рынке в области промышленного управления. Эти устройства, с их низким энергопотреблением, высокой точностью, гибкостью и надежностью, будут играть более важную роль в промышленной автоматизации в будущем.