Zaloguj się
Wszystkie
19 marca 2025
98
- konwersja prądu z przedziału 4…20 mA na napięcie stałe w przedziale 0…10 V,
- prosta kalibracja,
- rezystancja wyjściowa: 100 Ω,
- możliwość przystosowania wyjścia do standardu 0…5 V,
- zasilanie: 15…32 V DC, typowo 24 V DC,
- pobór prądu: około 20 mA.
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
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.
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.
NAPISZ DO AUTORA
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
