Электрификация

Справочник домашнего мастера

4 20 ма

Иногда приходится передавать сигнал на большое расстояние (десятки метров, а то и километры). Главная проблема при этом в том, что через линию может пронестись электромагнитная волна (помеха) и попытаться индуцировать в ней ток. Ток будет мизерным, но так как входы обычно высокоомные, в сотни килоом, то даже от таких незначительных наводок на входе может возникнуть перенапряжение. Ведь по закону Ома U = I * R. R входа у нас может быть и под ГигаОм, при этом наводка тока даже в 0.001мА может раскачать напругу до киловольта. Вход вынесет за милую душу, хотя энергия там и невелика, но много ли надо тонкопленочному затвору транзистора? Решение тут одно — снижать входное сопротивление.

Хорошим способом решение этой проблемы является смена сигнала с напряжения, на ток. Т.е. за уровни мы принимаем не наличие каких-либо напряжений, а значения тока в цепи. Навести помеху тут будет сложней, ведь два провода линии идут параллельно, а значит помеха будет наводиться в них одновременно и гасить сама себя, вычитаясь на дифференциальном входе приемника.
Ток будем вдувать в линию посредством источника тока, радующего нас тем, что ему плевать какое сопротивление у линии, он будет обеспечивать заданный ток до тех пор, пока мощи хватит.
Цифровая линия
Тут все просто, обычно по токовой петле развязывают RS232 и им подобные интерфейсы с независимыми каналами на прием/передачу.
Плюсом токовой петли является то, что она легко развязывается оптикой, ведь светодиод, являющийся основным передатчиком оптопары, питается током.
Схема может выглядеть следующим образом:
Когда подаем единичку на вход, то она зажигает светодиод, транзистор оптопары открывается и пускает ток в петлю. Это ток зажигает светодиод во второй оптопаре, ее транзистор открывается и прижимает линию к земле. Линия при этом получается инвертирующейся. Но при желании это легко решается одним транзистором.

Оптопарой тут можно выбрать что то вроде SFH610A
. Главное, чтобы предельное напряжение, которое может выдержать транзистор, было выше чем может развить источник тока, ведь он будет пытаться продавить транюзк когда тот закрыт. Для данной оптопары это Vceo = 70V. Обычно же напряжение источника редко превышает 24 вольта. А также следует поглядеть на ток колектора для оптопары, чтобы он был не меньше, чем выдает источник тока. Для данной оптопары он составляет 50мА.

Если еще взять источник питания линии внешний, то схема получается вообще неубиваемой. Т.к. приемник, передатчик и линия не связаны между собой вообще.

В качестве источника тока я обычно втыкаю тут NSI45020. Вообще это линейный драйвер светодиодов. Фиговина размером с резистор 1206, на выходе имеет строго заданный ток — 20мА.

Можно вкатывать напряжение питания вплоть до 45 вольт, можно параллелить, чтобы ток был поболее. При цене в 5 рублей штука — очень клевая вещь. Рекомендую держать в хозяйстве.

А для консерваторов — LM317 в режиме стабилизатора тока еще никто не отменял. Правда гораздо более громоздко выходит и стоит обычно дороже. Зато достается без проблем в любом радио ларьке.

Недостаток оптической развязки — ограничение скорости. У оптопары, особенно ширпотребной, весьма посредственные частотные характеристики. Но для какого-нибудь UART хватит. Также на скорость влияет тот факт, что длинная линия обладает большой емкостью, а зарядка ее происходит источником тока, т.е. чем дальше, тем больше емкость линии и медленней передача.

Аналоговая линия
А если надо вытащить данные с какого-нибудь удаленного аналогового датчика? Тут тоже на помощь придет токовая петля, правда конструкция будет несколько сложней.

Нам нужно будет сделать источник, превращающий напряжение в ток. С линейной зависимостью, скажем вкатили мы на вход 5 вольт, а наша схема вдула в линию 50мА. Делается это на операционном усилителе. Примерно вот по такой схеме:

Работает она просто. Т.к. ОУ, охваченный обратной связью, стремиться уравнять свои входы, т.е. напряжение между прямым и инверсным входом равно нулю, то можно считать, что Uin засажен напрямую на R0. И ток через R0 получается равным Uin/R0. Ведь сопротивление входов ОУ ОЧЕНЬ большое, настолько большое, что мы можем смело считать, что ток туда не втекает. А так как R0 часть петли, то ток в петле будет равен току R0, вне зависимости от сопротивления линии и сопротивления нагрузки, разумеется если источник питания может продавить эти сопротивления, а транзистор не выходит в насыщение, оставаясь в линейном режиме. В качестве источника питания тут можно взять независимый стабилизированный источник, вольт так на 12.

На другой стороне петли достаточно снять падение напряжения на резисторе нагрузки Rн.

Вот тут, ради лулзов, собрал на макетном поле Pinboard II эту конструкцию. Т.к. задающий резистор R0 у меня получился в 10кОм (такой стоит рядом с макетным полем), то соотношение напряжение/ток получилось 1:10000 т.е. на 1 вольт приходится 0.1мА в петле. Нифига не стандарт, да и вообще мало слишком, но принцип работы показывает хорошо.

И видео работы:

Есть более громоздкий, но и гораздо более точный способ:
Тут мы заводим специальный измерительный резистор Rs и на нем операционником замеряем падение, а потом результат загоняем во второй операционник. Т.к. конструкция из OP1 является для OP2 обратной связью, а он выводит разность на своих входах в ноль, то получаем, что:

Uin = R2/R1*Is*Rs
При
R2 = 10k
R1 = 1k
Rs = 10

Получаем зависимость Is = Uin/100 с хорошей такой линейностью, особенно если взять прецезионные усилки с Rail-2-Rali выходом.

Если нужна максимальная точность, то лучше применить готовую микросхему. Существует и масса спекциализированных формирователей токовой петли. Например MAX15500. Включаешь по даташиту и радуешься 🙂
Гальваническую развязку аналоговой токовой петли можно сделать на изолирующих усилителях. Вроде ISO124

Коэффициент усилениея у него 1. Т.е. 1 вольт вошел — 1 вышел. Никаких заморочек с обратной связью и прочим. Два независимых входа питания, с одной и с другой стороны. Один недостаток — стоит она недешево. Та же ISO124 от 15 баксов за штуку.

Также прикольное свойство токовой петли в том, что можно питать удаленное устройство через эту же петлю. Т.к. источник тока компенсирует потребление. Разумеется в разумных пределах, но для каких-нибудь датчиков удаленных вполне неплохой вариант.

Стандарты
Единого стандарта на токовую петлю, величины токов и разьемы, как например с RS232, нет. Но в промышленности более менее устоялся стандарт аналоговой токовой петли 4…20мА, т.е. минимальный уровень это 4мА, а максимальный 20мА. Нулевой ток считается обрывом линии. Для цифровой петли чаще применяют диапазон 0…20мА. Также иногда встречается вариант 0…60мА, но это экзотика.

В уроке расскажу о простом, но эффективном радиальном интерфейсе ИРПС. Больше внимания уделю не самому стандарту, а практической реализации цифровых интерфейсов по принципу “токовой петли”.

Предыдущий урок Список уроков Следующий урок

ИРПС расшифровывается как «интерфейс радиальный последовательный». Другое название –“токовая петля”. Интерфейс появился задолго до современных стандартов RS232, RS485 и широко использовался в телетайпах. Затем несколько изменились его параметры, и ИРПС нашел применение в компьютерных системах.

ИРПС позволяет простыми аппаратными средствами реализовать передачу данных на большие расстояния, до нескольких километров. Он обладает высокой помехоустойчивостью, и, что немаловажно, обеспечивает гальваническую развязку абонентов от линии связи.

Благодаря простоте реализации ИРПС идеально подходит для недорогих распределенных систем на базе Ардуино. Я расскажу о его различных схемных вариантах, позволяющих значительно увеличить длину линии связи, повысить помехоустойчивость, использовать для соединения устройств не витые пары, а простые провода. Используя принцип ”токовой петли” можно построить и сети магистральной топологии, с несколькими абонентами.

Когда-то на одной ГРЭС мне выделили для организации связи между устройствами два простых провода в высоковольтном кабеле. Высоковольтным назвал кабель я, работники ГРЭС называли его низковольтным. Максимальное напряжение в кабеле было 1000 В, дикий уровень помех, длина примерно 1000 м. В сеть было включено два компьютера и 8 регистраторов дискретных сигналов. Передачу данных я организовал по принципу “токовой петли”, и сеть прекрасно работала на скорости 19200 бод. Я не знаю, какой другой интерфейс можно было использовать в таких условиях.

Сейчас ИРПС несколько теряет свою актуальность в связи распространением беспроводных технологий. Но благодаря своей простоте и надежности его применение во многих случаю остается оправданным. Например, я использую ”токовую петлю” для подключения к станциям катодной защиты компьютера, терминала, телеметрии. В фасовочном оборудовании периферийные контроллеры обмениваются данными с центральным контроллером также по ”токовым петлям”. Привлекают все те же качества: простота, помехоустойчивость, гальваническая развязка.

Принцип действия “токовой петли”.

Основной принцип действия содержится в названии – “токовая петля”.

Передатчик и приемник связаны двух проводной линией связи. Образуется контур передачи (петля).

Передатчик это не источник напряжения, а источник тока. Информация передается значением тока в контуре.

Для источника тока, ток в последовательном контуре не зависит от сопротивления цепи. Поэтому ток на входе приемника будет иметь то же значение, как и на выходе передатчика независимо от:

Это справедливо для чисто последовательного контура, без утечек тока. Это означает, что передатчик и приемник должны быть гальванически развязанными или приемник должен быть дифференциальным.

Емкостные наводки вызывают эдс, приложенные параллельно передатчику-источнику тока (E емк.). Токовая петля их не подавляет. Поэтому в качестве линии связи в ИРПС обычно используют витую пару.

ЭДС емкостных помех соседних скрученных участков кабеля вычитаются друг из друга, компенсирую емкостную помеху. Дополнительной защитной мерой может быть экранирование витой пары.

Еще одним свойством, повышающим помехозащищенность ИРПС, является низкое входное сопротивление приемника.

Также помехоустойчивость ИРП в значительной мере зависит от тока передатчика. Чем больше ток, тем труднее помехе или наводке повлиять на него. Когда-то для телетайпов использовали ток 60 мА. Затем этот параметр был снижен, и в настоящее время стандартными считаются значения 20 и 40 мА. Но ничего не мешает использовать для “токовой петли” другие значения токов в зависимости от конкретных требований.

“Токовую петлю” можно применять для передачи данных одновременно нескольким приемникам.

С помощью токовой петли могут передаваться как аналоговые, так и цифровые сигналы. В этой статье речь идет о передаче дискретных данных, т.е. о цифрой “токовой петле”.

Приемник цифровой ”токовой петли” срабатывает на определенные пороговые значения тока. В этом случае требования к точности и выходному сопротивлению передатчиков значительно ниже, чем при передаче аналоговых сигналов. Как следствие, проще аппаратная реализация.

Скорость передачи данных.

Использование в качестве передатчика источника тока приводит к основному недостатку ИРПС – невысокой скорости передачи данных. Это связано с зарядом емкости кабеля от источника тока при переключении сигнала.

При стабильном токе I через емкость C время заряда ее до напряжения U определяется формулой:

T = U * C / I.

Допустим, у нас кабель длиной 1000 м и емкостью 75 нФ (75 пкФ/м). При токе 20 мА время заряда емкости кабеля до напряжения 5 В составит 18,75 мкс. Если принять время ”дрожания” асинхронного цифрового сигнала 25%, то длительность передачи бита будет 75 мкс, что соответствует скорости приблизительно 13 кбод.

Скорость передачи ИРПС определяется длиной линии связи. Стандарт заявляет скорость 9600 бод для линии длиной до 500 м. При увеличении длины кабеля скорость передачи пропорционально падает.

Стандартные параметры ИРПС.

Параметры интерфейса ИРПС описаны в стандарте ИРПС/IFFS (ОСТ 11305.916-84).

За рубежом интерфейс “Токовая петля” называется “Current Loop” . Специфицирован он в стандартах IEC 62056-21 / DIN 66258.

Основные параметры ИРПС я свел в таблицу.

Параметр Значение
Топология Радиальный интерфейс
Линия связи 4 провода (2 витые пары)
Режим обмена данными Асинхронный, дуплексный
Гальваническая развязка Со стороны приемника, напряжение 500 В
Способ передачи сигнала Токовая петля.
Уровень логической 1 Ток 15 … 25 мА (для ИРПС 20 мА)
Ток 30 … 50 мА (для ИРПС 40 мА)
Уровень логического 0 Ток 0 … 3 мА (для ИРПС 20 мА)
Ток 5 … 10 мА (для ИРПС 40 мА)
Длительность фронта сигнала на выходе передатчика Не более 1 мкс
Длительность фронта сигнала на входе приемника Не более 50 мкс
Скорость передачи информации 9600 бод, на расстояние до 500 м. При большем расстоянии скорость снижается пропорционально.
Режимы обрыва и замыкания линии связи Долговременные.
Падение напряжения на входе приемника Не более 5 В для телетайпа.
Не более 2,5 В для других устройств.
Входная емкость приемника Не более 10 нФ.

Все эти требования могут и часто нарушаются в конкретных разработках. Могут быть другие токи, параметры передатчиков и приемников. Я, как правило, использую сигналы инверсных по отношению к стандарту уровней. Т.е. логической 1 соответствует отсутствие тока, а логическому 0 – наличие. В этом случае меньше потребляемый ток. Главное – это принцип “токовой петли”, который и обеспечивает свойства ИРПС.

Аппаратная реализация ИРПС.

Передатчик это источник тока. Источник тока — это источник напряжения с высоким выходным сопротивлением, в идеале с бесконечным сопротивлением.

Самый простой передатчик ИРПС это транзисторный ключ с последовательно включенным резистором.

Ток в цепи определяется:

I = Uпит / ( Rпередатчика + Rлинии + Rприемника)

Если сопротивление линии намного меньше, чем сопротивление передатчика, то ток в контуре в малой мере зависит от параметров линии.

Приведу пример.

  • Допустим сопротивление приемника равно 0. В любом случае мы его знаем, оно стабильно, и его можно учесть в расчетах.
  • Если нам необходим ток 20 мА в цепи с нулевым сопротивлением линии, то сопротивление передатчика должно быть R = 12 В / 0,02 А = 600 Ом.
  • Сопротивление двойного кабеля длиной 1000 м и сечением 0,35 мм2 составляет 100 Ом. Если мы его подключим к цепи, то ток будет I = 12 В / ( 600 + 100 ) = 0,017 мА.

В итоге. При изменении сопротивления линии от 0 до 100 Ом ток в контуре будет меняться от 20 до 17 мА. Вполне допустимые значения для цифровой “токовой петли”.

Сопротивление резистора передатчика зависит от напряжения питания ключа. Для обеспечения того же тока в линии при увеличении напряжения питания сопротивление резистора необходимо увеличивать. Поэтому чем больше напряжение питания, тем большим может быть сопротивление линии связи.

В качестве приемника обычно используется оптрон. Он сам по себе является токовым приемником и обеспечивает гальваническую развязку.

Источник тока может быть расположен как на приемной, так и на передающей стороне. Узел с источником тока называется активным.

Лучше я объясню все это на практических схемах. Их может быть много. Я приведу основные варианты, наиболее распространенные.

Самая простая схема соединения двух плат Ардуино с помощью ”токовой петли”.

Проще, наверное, не придумать. Передатчиком — источником тока является дискретный выход микроконтроллера с последовательно включенным резистором.

В качестве приемника используется оптрон. Я выбрал PC817. По этой ссылке можно посмотреть его технические характеристики PC817.pdf.

Расчет тока в цепи простой.

I = ( Uпередатчика – Uвх. приемника ) / ( R1 + Rлинии )

Относительно схемы выше при сопротивлении линии равном 0:

I = ( 5 В – 1,3 В ) / 360 Ом = 10,2 мА

Основные недостатки схемы:

  • Низкое напряжение на выходе микроконтроллера, а значит небольшое сопротивление последовательного резистора.
  • Как следствие, сопротивление линии должно быть достаточно низким, линия не может быть слишком длинной.
  • Схема не может обеспечить ток более 10-15 мА из-за невысокой нагрузочной способности выводов микроконтроллера.

Тем не менее, схема вполне рабочая для связи устройств на расстоянии до нескольких десятков и даже сотен метров.

Можете соединить платы Ардуино по этой схеме. Программа из урока 49 будет работать без изменений. Только теперь максимальное расстояние между платами значительно увеличится.

В последней схеме логической 1 на выходе микроконтроллера соответствует отсутствие тока в линии, а при логическом 0 в контуре течет ток 10 мА. Если необходима обратная полярность, то схема будет выглядеть так.

Более совершенные схемы ИРПС.

В предыдущих 2 схемах активными являются передатчики. Гальваническая развязка происходит в приемниках. Устройства гальванически развязаны как бы параллельно линии связи, что не очень хорошо с точки зрения безопасности.

  • Любое повреждение кабеля связи может привести к нарушению гальванической развязки.
  • Да и главное требование безопасности – это гальваническая развязка устройства от потенциально опасного кабеля связи между устройствами. Кабель, как правило, физически расположен в местах где можно ожидать чего угодно, в том числе и замыкания на опасное для жизни напряжение.

Следующая схема намного совершеннее во всех отношениях.

В ней обеспечиваются гораздо лучшие параметры передатчика, приемника и полная гальваническая развязка от линии связи одного устройства. На рисунке левого устройства.

В передатчике используется выходной ключ оптрона. В правом на схеме устройстве и приемник и передатчик являются активными, а в левом – пассивными. Получается, что левое устройство гальванически развязано от линии связи без применения дополнительного источника питания.

Ток в цепи упрощенно можно рассчитать по формуле:

I = ( Uпит – Uвх. Приемника ) / ( R6 + Rлинии )

Для схемы выше:

I = ( 12 – 1,5 ) / 510 = 20,6 мА.

Диоды VD1-VD4 защищают приемники и передатчики от выбросов и наводок в линии отрицательной полярности. Лучше еще добавить пробивные стабилитроны (супрессоры) для ограничения сигналов по амплитуде, но это другая тема. Но как минимум, диоды на длинных линиях должны быть.

Если для правого устройства использовать гальванически развязанный от микроконтроллера источник питания, то развязаны от линии связи будут оба устройства.

В качестве передатчиков и приемников в схеме используются оптроны. Это приводит к двум проблемам.

Выходной ток оптрона связан с входным коэффициентом передачи. Для различных типов оптронов он имеет разные значения. Но часто разработчики оптронов нормируют его в широких пределах. Например, для CNY74-3H коэффициент передачи составляет от 50 до 600 %.

При минимальном коэффициенте передачи 50 %, для того чтобы обеспечить выходной ток 20 мА, входной ток должен быть 40 мА. Это недопустимое значение, как для выхода микроконтроллера, так и для светодиода оптрона.

Выходной ток оптрона можно увеличить по этой схеме:

Дополнительный транзистор вместе с выходным транзистором оптрона образуют составной транзистор.

Вторая проблема со стороны приемника. Это ток срабатывания оптрона, а значит и приемника. Этот параметр опять же зависит от коэффициента передачи оптрона и может меняться в значительных пределах.

Необходимо задать порог тока, ниже которого приемник срабатывать не будет. Это можно сделать, включив дополнительный резистор параллельно светодиоду оптрона.

Часть тока будет течь через резистор R1. Ток через светодиод оптрона определяется формулой:

Iсветодиода = Iлинии – ( Uпр. светодиода / R 1).

Резистор “заберет” ток Uпр. светодиода / R1. Это и будет порог, к которому надо еще прибавить ток срабатывания оптрона. В это схеме порог равен 1,3 В / 130 Ом = 10 мА.

Использование в ИРПС стабилизатора тока.

Во всех предыдущих схемах стабилизатор тока активной стороны ИРПС реализовывался за счет резистора, включенного последовательно с источником напряжения. При этом ток в контуре зависел, в том числе и от сопротивления линии связи.

I = ( Uпередатчика – Uвх. приемника ) / ( Rпосл. + Rлинии )

Поэтому на сопротивление линии связи накладывалось ограничение. Как правило, оно не должно превышать 10-20 % от Rпосл.

Полностью устранить влияние сопротивления линии связи можно за счет применения стабилизатора тока. Например, по этой схеме.

Ток определяется по формуле:

I = UКЭ VT1 / R2

и для этой схемы составляет 20 мА.

Здесь активным является передатчик. Но ничего не мешает использовать стабилизатор тока на приемной стороне.

Такие схемы позволяют осуществлять передачу данных на большие расстояния. Они в широких пределах компенсируют сопротивление линии связи.

Например, в последних двух схемах:

  • задан ток 20 мА;
  • напряжение питания 12 В;
  • минимальное падение напряжение в передатчике 1,4 В;
  • падение напряжения на входе приемника 1,5 В;
  • максимально допустимое сопротивление линии связи
    Rmax линии = (12 В – 1,4 В – 1,5 В ) / 0,02 А = 455 Ом.
  • Сопротивление двойного кабеля длиной 1000 м и сечением 0,35 мм2 составляет
    R = ρ * L / S = 0,0175 Ом мм2 / м * 2000 м / 0,35 мм2 = 100 Ом.

Т.е. две приведенные выше схемы допускаю длину кабеля связи сечением 0,35 мм2 до 4,5 км.

Если увеличить напряжение питания, то этот параметр станет еще больше. Кстати, в схемах со стабилизатором тока питание может быть не стабилизированным. Источник тока скомпенсирует и эту нестабильность.

Другие конфигурации интерфейсов по принципу токовой петли.

Использую принцип токовой петли можно создать интерфейсы более сложных конфигураций. Например, в системе управления фасовочным оборудованием периферийные контроллеры связываются с центральным по двухпроводной линии связи. Используется принцип токовой петли, но реализована двунаправленная связь.

Со стороны центрального контроллера схема представляет собой резистор, подключенный к выходу микроконтроллера.

У периферийного контроллера схема сложнее.

В ней: приемный оптрон, передающий оптрон и оптрон, разрывающий цепь приемника во время передачи. В момент приема второй оптрон замыкает цепь приемного оптрона. А при передаче разрывает ее, позволяя нижнему оптрону передавать данные. Периферийный контроллер гальванически развязан от линии связи.

Содержание

задатчик тока и напряжения JS-VISG-M-S

Различных схем терморегуляторов (термостабилизаторов) существует вагон и маленькая тележка. На любой вкус и уровень опыта. От простейших, на триггере Шмитта (транзисторном либо на компараторе или ОУ) и до «навороченных» на микроконтроллере. Да и промышленно выпускаемые терморегуляторы (например, «Овен») недороги и доступны. Поэтому описанный в данной теме терморегулятор не претендует на какую-то супер-крутизну.
Он был разработан и изготовлен около 20 лет назад, когда микроконтроллеры были чем-то недосягаемым, успешно проработал примерно 10 лет в условиях производства (сухожаровой шкаф на 5 кВт) и провалялся до недавнего времени на чердаке. Был извлечен оттуда, включен в сеть и поставлен для стабилизации температуры в аквариуме. Как оказалось, перерыв в работе на него совершенно не повлиял. На показометре — актуальная температура = чуть меньше 30оС. На спиртовом термометре = 29оС.
Оригинальная схема за минувшие 20 лет где-то потерялась, вырисовывать по плате было лень да и смысла не было, т.к. выполнена она была на деталях той же 20-летней давности. Поэтому приводимая ниже схема является по сути «новоделом», воссозданным «по мотивам» исходной схемы.
Сразу предупреждаю: «в железе» именно эта схема не проверялась!!! Поскольку у жены два аквариума и такой же термостабилизатор нужен будет и для второго, то в ближайшем времени я ее реализую, тогда и отпишусь о результатах.
Блок питания
выполнен на маломощном трансформаторе и обеспечивает три напряжения: + 9 В, стабилизируемое 3-выводным стабилизатором (может быть в диапазоне +6…+15 В, всё зависит от выходного напряжения трансформатора), нестабилизированное +Vcc (снимаемое сразу же с выпрямительного моста и конденсатора фильтра, чтобы не подгружать стабилизатор) и +2,5 В, стабилизируемое аналогом стабилитрона TL341 и играющее роль «искусственной средней точки».
В качестве термодатчика используется обычный кремниевый диод (VD1) производства Болгарии (в свое время откуда-то их понавыпаивал больше сотни):
Нет подходящего диода? Не проблема. эмиттерный переход транзистора тоже подойдет.
Ток через термодатчик (1…2,5 мА) со стороны катода стабилизируется генератором тока на ОУ DA2 и транзисторе VT1. Его величина устанавливается подстроечным резистором R4 такой, чтобы при 0оС (температура тающего льда) падение напряжения на нем составляло 0,7 В. Внимание! Для диодов с различным допустимым током эти 0,7 В будут достигнуты при разном токе! Скажем, для КД212 падение напряжения 0,7 В будет при токе примерно 10…20 мА (результаты собственных экспериментов). Со стороны анода на термодатчик подается напряжение 3,2 В (относительно общей шины) с выхода инвертирующего усилителя DA1 (устанавливается подстроечным резистором R2).
Таким образом, на катоде термодатчика получаем такое же напряжение (+2,5 В), как и опорное, относительно которого потенциал, изменяющийся с изменением температуры термодатчика, будет усиливаться неинвертирующим усилителем DA3. Поскольку изменение падения напряжения на кремниевом p-n переходе достигает 3 мВ/град, то для надежной работы компаратора (DA6) вполне достаточно усилить его всего в 7…10 раз. Коэффициент усиления устанавливается подстроечным резистором R8. При повышении температуры термодатчика падение напряжения на нем уменьшается и потенциал на его катоде становится более положительным. Соответственно, возрастает потенциал и на выходе DA3.
Известны, конечно, схемы на транзисторах, в которых температурный коэффициент изменения напряжения достигает 6…10 мВ/град, но 3-проводная система подключения как-то резко нивелирует это преимущество подобных схем.
Возникает закономерный вопрос: а нафига вообще нужна столь сложная система запитки термодатчика??? Ответ простой: для обеспечения полностью независимой установки нулевого значения (при 0оС) резистором R2 и конечного значения резистором R8 (скажем, при 100оС — температура кипящей воды, хотя кремниевый p-n переход совершенно спокойно можно использовать и до температуры +150оС). Дело в том, что температурный коэффициент изменения падения напряжения на p-n переходе — величина не калиброванная и при смене термодатчика придется подстраивать как ноль, так и крайнее значение.
Зато, в отличие от терморезисторов, температурный коэффициент изменения падения напряжения на p-n переходе практически линеен во всем рабочем диапазоне! Это позволяет (с определенным допущением, конечно же) использовать линейный измеритель температуры, в качестве которого применен обычный стрелочный прибор на 100 мкА. Такой выбран исключительно из-за соответствия шкалы на 100 делений шкале на 100 градусов. А реально стрелочный прибор можно использовать на любой ток от 50 мкА до 10 мА. ОУ DA4, включенный повторителем, потянет запросто. В принципе, никто не мешает применить и цифровой вольтметр, с учетом современных тенденций. Вот только непонятно, зачем лепить цифру к чисто аналоговой схеме?
Вход повторителя может подключаться переключателем SA1 либо к выходу усилителя DA3, при чем измерительный прибор будет показывать актуальную температуру термодатчика, либо к движку переменного резистора R9, показывая порог, при котором будет происходить срабатывание компаратора.
Сигнал с термодатчика мы получили и направили его на один из входов компаратора DA6. На второй вход поступает опорное напряжение с переменного резистора R9, дополнительно застабилизированное регулируемым «стабилитроном» DA7 (TL431) на уровне 2,5 В относительно «искусственной средней точки». Входы компаратора могут меняться местами переключателем SA2. При его положении, показанном на схеме, компаратор формирует низкий потенциал на своем выходе при низкой температуре термодатчика, а следовательно, при выходном напряжения с выхода усилителя DA3 ниже напряжения, снимаемого с движка R9. Через светодиод оптрона DA8 протекает ток, его оптотиристор открыт и нагрузка подключена к сети. Светодиод VD8 индицирует ее подключенное состояние. Схема подключения силового симистора к оптоизолятору МОС3041 взята из даташита на него.
Если напряжение с выхода усилителя DA3 (при повышении температуры термодатчика) превысит напряжение, снимаемое с движка резистора R9, на выходе компаратора DA6 появится напряжение высокого уровня, оптрон закроется и нагрузка отключится.
Однако, не исключена ситуация, что при повышении температуры надо не выключать нагреватель, а наоборот, включать охладитель (например, вентилятор). Для такого режима переключатель SA2 переводится в противоположное положение и логика работы компаратора меняется на обратную.
Остался пока не рассмотренным только компаратор DA5. Это — «защита от дурака». Если вдруг датчик температуры перемкнется накоротко, то ничего критичного с термостатируемым объемом не произойдет: такое состояние будет воспринято, как будто бы температура резко повысилась и нагреватель отключится. Хуже, если цепь датчика оборвется. Это будет воспринято, как снижение температуры, нагреватель останется постоянно включенным. В результате — уха (если термостатируется аквариум), либо яичница (инкубатор). В такой ситуации на выходе второго компаратора DA5 появится низкий уровень, шунтирующий светодиод оптрона DA8.
Вот, вроде бы и всё… Напоследок могу сказать, что, несмотря на то, что терморегуляторы на МК на первый взгляд вроде бы и «круче», но при любом программном сбое «уха»/»яичница» обеспечены с вероятностью 50/50%. Аппаратный дефект имеет равную вероятность как для МК, так и для данной схемы.
То, что терморегулятор на МК имеет якобы меньшие размеры — всего лишь распространенный миф! К собственно корпусу МК надо добавить блок питания, органы управления, силовую часть, корпус — и в результате будет почти то на то.
А повторять ли эту (или подобную ей) аналоговую схему или нет — пускай каждый решает для себя сам.
Успехов!
P.S. В аттаче — файл Мультисима 13 с симуляцией DA1 + DA2 + DA5.
P.P.S. Статья имела бы смысл?
Термостабилизатор.rar

Цифровой задатчик сигналов 4…20 мА и 0…10 В ОВЕН УЗС1-Щ1.И

Описание

Цифровой задатчик сигналов 4…20 мА и 0…10 В Owen УЗС1-Щ1-И — цифровой задатчик сигнала. Предназначен для формирования унифицированных сигналов тока (4…20 мА) или напряжения (0…10 В) в ручном или автоматическом режиме.

Основные функции

  • настраиваемая дискретность изменения сигнала;
  • отображение выходного сигнала в «%» или «мА(В)»;
  • гальваническая развязка;
  • встроенный источник питания 24 В;
  • выходной сигнал: 4…20 мА или 0…10 В (модификации).

Особенности

  • в автоматическом режиме задатчик транслирует сигнал от управляющего прибора или контроллера на исполнительный механизм;
  • в ручном режиме задатчик формирует сигнал 4…20 мА или 0…10 В, значение которого задается пользователем с лицевой панели;
  • переключение «автомат/ручной» без скачков (безударный переход);
  • переключение «автомат/ручной» тумблером или с лицевой панели;
  • указание режима работы «автомат/ручной» по контактам э/м реле;

Исполнение

Приборы выпускаются в настенном (Н), щитовом (Щ1, Щ2) и DIN-реечном (Д) исполнении.

Где применяются?

Прибор предназначен для ручного или автоматического управления аналоговыми исполнительными механизмами.

Основные технические характеристики цифровых задатчиков сигнала УЗС1 ОВЕН

  • Потребляемая мощность:до 7 ВА
  • Напряжение питания:от 90 до 245 В
  • Диапазон частоты:от 47 до 63 Гц
  • Степень защиты корпуса:IP 20 (DIN-реечный), IP 44 (настенный), IP 54 (щитовые со стороны лицевой панели)
  • Температура эксплуатации:от -20 до +50 °С

Основные характеристики

  • Страна производства Россия
  • Производитель ОВЕН
  • Серия товара УЗС1
  • Наименование Задатчик сигналов
  • Артикул УЗС1-Щ1-И

СвернутьВсе характеристики Технические характеристики

  • Тип корпуса Щитовой
  • Диапазон переменного напряжения питания От 90 В до 245 В
  • Встроенный источник питания 24 В
  • Максимально допустимый ток встроенного источника питания 80 мА
  • Тип входного сигнала От 4 мА до 20 мА
  • Время опроса входа Не более 0,4 сек
  • Предел основной приведенной погрешности преобразования 0.005
  • Допустимая нагрузка на выходе 4…20 мА, Не более 1000 Ом
  • Диапазон допустимых напряжений питания выхода 4…20 мА От 12 В до 30 В
  • Допустимая нагрузка на выходе 0…10 В Не менее 2000 Ом
  • Диапазон допустимых напряжений питания выхода 0…10 В От 16 В до 30 В
  • Тип выходного аналогового сигнала Унифицированный сигнал тока «4…20 мА»

СвернутьВсе характеристики Электрические характеристики

  • Потребляемая мощность Не более 7 ВА
  • Класс защиты IP54

СвернутьВсе характеристики Массо-габаритные и монтажные характеристики

  • Габаритные размеры 96×96×65 мм

СвернутьВсе характеристики

В интернет-магазине Промышленная Автоматизация вы можете купить Цифровой задатчик сигналов 4…20 мА и 0…10 В ОВЕН УЗС1-Щ1.И. Для того, чтобы оформить заказ добавьте товар в корзину, или позвоните по бесплатному номеру телефона 8 800 550-72-59. После обработки заявки менеджер свяжется с вами по указанным контактным данным и уточнит дату и время, когда вы сможете приобрести и забрать Цифровой задатчик сигналов 4…20 мА и 0…10 В ОВЕН УЗС1-Щ1.И, а так же дату доставки, если она необходима.

Информация о технических характеристиках, комплекте поставки и внешнем виде товара, может отличаться от указанной на сайте. Уточняйте эту информацию у менеджера при оформлении заявки. Если вы заметили ошибку или неточность в описании, пожалуйста, сообщите нам об этом по адресу store@industriation.ru

Унифицированные аналоговые сигналы в системах автоматики

30.09.2016 Нет комментариев Рубрика: Основы автоматики, Промышленная автоматизация

При автоматизации технологических процессов используются различные датчики и исполнительные устройства. И те и другие так или иначе связаны с контроллерами или модулями ввода/вывода, которые получают от датчиков измеренные значения физических параметров и управляют исполнительными устройствами.

Представьте, что все устройства, присоединяемые к контроллеру имели бы различные интерфейсы — тогда производителям пришлось бы «плодить» огромное количество модулей ввода-вывода, а для того, чтобы заменить, например, неисправный датчик, нужно было бы искать точно такой же.

Именно поэтому, в системах промышленной автоматики принято унифицировать интерфейсы различных устройств.

В этой статье мы расскажем об унифицированных аналоговых сигналах. Поехали!

Унифицированные аналоговые сигналы

С аналоговыми сигналами мы имеем дело при измерении любых физических величин (температуры, влажности, давления и т.д.), а так же при непрерывном управлении исполнительными устройствами (регулирование скорости вращения двигателя с помощью преобразователя частоты; управление температурой с помощью нагревателя и т.д.).

Во всех перечисленных и им подобных случаях используются аналоговые (непрерывные) сигналы.

В контроллерном оборудовании в подавляющем большинстве случаев используются два типа аналоговых сигналов: токовый 4-20 мА и сигнал напряжения 0-10 В.

Унифицированный сигнал напряжения 0-10 В

При использовании этого типа сигнала для получения информации с датчика весь его (датчика) диапазон делится на диапазон напряжения 0-10 В. Например, датчик температуры имеет диапазоны -10…+70 °С. Тогда при -10 °С на выходе датчика будет 0 В, а при +70 °С — 10 В. Все промежуточные значения находятся из пропорции.

Это же верно для любого другого устройства. Например, если аналоговый выход частотного преобразователя настроен на передачу текущей скорости вращения двигателя — тогда 0 В у него на выходе означает, что двигатель остановлен, а 10 В, что двигатель крутится на максимальной частоте.

Управление сигналом 0-10 В

С помощью унифицированного сигнала напряжения можно не только получать данные о физических величинах, но и управлять устройствами. Например, можно привести трёхходовой клапан в нужное положение, изменить скорость вращения электродвигателя через частотный преобразователь или мощность нагревателя.

Возьмём для примера электродвигатель, частотой вращения которого управляет частотный преобразователь.

Частоту вращения двигателя задаёт контроллер сигналом 0-10 В, приходящим на аналоговый вход частотника.Частота вращения двигателя двигателя может быть от 0 до 50 Гц. Тогда, если в соответствии с алгоритмом контроллер собирается раскрутить двигатель на 25 Гц, он должен подать на вход частотника 5В.

«Токовая петля»: унифицированный аналоговый сигнал 4-20 мА

Аналоговый сигнал 4-20 мА (ещё называют «токовая петля») так же как сигнал напряжения 0-10 В используется в автоматике для получения информации от датчиков и управления различными устройствами.

По сравнению с сигналом 0-10 В сигнал 4-20 мА имеет ряд преимуществ:

  • Во-первых, токовый сигнал можно передать на большие расстояния в сравнении с сигналом 0-10 В, в котором происходит падение напряжения на длинной линии, обусловленное сопротивлением проводников.
  • Во-вторых, легко диагностировать обрыв линии, т.к. рабочий диапазон сигнала начинается от 4 мА. Поэтому если на входе 0 мА — значит на линии обрыв.

Управление сигналом 4-20 мА

Управление различными устройствами с помощью токового сигнала ничем не отличается от управления с помощью сигнала напряжения. Только в данном случае нужен уже источник не напряжения, а тока.

Если устройство имеет управляющий вход 4-20 мА, то таким устройством может управлять контроллер или другое интеллектуальное устройство, имеющее соответствующий выход.

Например, мы хотим плавно открывать вентиль, имеющий электропривод со входом 4-20 мА. Если подать на вход сигнал тока 4 мА, тогда вентиль будет полностью закрыт, а если подать 20 мА — полностью открыт.

Активный и пассивный аналоговый выход 4-20 мА

Зачастую аналоговый выход датчика, контроллера или другого устройства — пассивный, то есть не может являться источником тока без внешнего питания. Поэтому при проектировании схемы автоматики нужно внимательно изучить характеристики аналоговых выходов используемых устройств, и если они пассивные — добавить в схему внешний источник питания для пропитки токовой петли.

На рисунке представлена схема подключения датчика с выходом 4-20 мА к измерителю-регулятору с соответствующим входом. Поскольку выход датчика пассивный — требуется его пропитка внешним блоком питания.

Нормирующий преобразователь

При измерении физической величины (температуры, влажности, загазованности, pH и др.) датчики преобразуют её значение в ток, напряжение, сопротивление, ёмкость и т.д. (в зависимости от принципа работы датчика). Для того, чтобы привести выходной сигнал датчика к унифицированному сигналу используют нормирующие преобразователи.

Нормирующий преобразователь — устройство, приводящее сигнал первичного преобразователя к унифицированному сигналу тока или напряжения.

Так выглядит датчик температуры с нормирующим преобразователем:

Tags: Промышленная автоматика, сигнал 0-10 В, сигнал 4-20 мА, унифицированные сигналы

level_meter

Фундаментальные основы работы токовой петли 4..20 мА
С 1950-х годов токовая петля используется для передачи данных от измерительных преобразователей в процессе мониторинга и контроля. При низкой стоимости реализации, высокой помехоустойчивости и возможности передачи сигналов на большие расстояния, токовая петля оказалась особенно удобной для работы в промышленных условиях. Этот материал посвящен описанию базовых принципов работы токовой петли, основам проектирования , настройке .
Использование тока для передачи данных от преобразователя
Датчики промышленного исполнения часто используют токовый сигнал для передачи данных в отличие , от большинства других преобразователей , таких ,например, как термопары или тензорезистивные датчики , которые используют напряжение сигнала. Несмотря на то , что преобразователи ,использующие напряжение в качестве параметра передачи информации ,действительно эффективно применяются во многих производственных задачах, существует круг приложений , где использование характеристик тока предпочтительнее. Существенным недостатком при использования напряжения для передачи сигналов в промышленных условиях является ослабление сигнала при его передаче на значительные расстояния вследствие наличия сопротивления проводных линий связи. Можно,конечно, использовать высокий входной импеданс устройств, чтобы обойти потери сигнала. Однако, такие устройства будут весьма чувствительны к шуму, которые индуцируют находящиеся поблизости моторы, приводные ремни или радиовещательные передатчики.
Согласно первому закону Кирхгофа сумма токов, втекающих в узел ,равна сумме токов, вытекающих из узла.
В теории, ток ,протекающий в начале контура ,должен достичь его конца в полном объеме,
как показано на рис.1. 1.
Рис.1. В соответствии с первым законом Кирхгофа ток в начале контура равен току в его конце.
Это основной принцип, на котором работает контур измерения.. Измерение тока в любом месте токовой петли (измерительного контура) дает один и тот же результат. Используя токовые сигналы и приемные устройства для сбора данных с низким входным сопротивлением , в промышленных приложениях возможно получить значительный выигрыш от улучшения помехоустойчивости и увеличения длины линии связи.
Компоненты токовой петли
В состав основных компонентов токовой петли входят источник постоянного тока , первичный преобразователь, устройство сбора данных , и провода, соединяющие их в ряд, как показано на рисунке 2.
Рис.2. Функциональная схема токовой петли.
Источник постоянного тока обеспечивает питание системы. Преобразователь регулирует ток в проводах в диапазоне от 4 до 20 мА, где 4 мА представляет собой «живой» ноль , а 20 мА представляет максимальный сигнал.
0 mA (отсутствие тока ) означает разрыв в цепи. Устройство сбора данных измеряет величину регулируемого тока. Эффективным и точным методом измерения тока является установка прецизионного резистора- шунта на входе измерительного усилителя устройства сбора данных (на рис.2) для преобразования тока в напряжение измерения, чтобы в конечном итоге получить результат ,однозначно отражающий сигнал на выходе преобразователя.
Чтобы помочь лучше понять принцип работы токовой петли , рассмотрим для примера конструкцию системы с преобразователем , имеющую следующие технические характеристики :
Преобразователь используется для измерения давления
Преобразователь расположен в 2000 футов от устройства измерения
Ток ,измеряемый устройством сбора данных, обеспечивает оператора информацией о величине давления, приложенного к преобразователю
Рассмотрение примера начнем с подбора подходящего преобразователя.
Проектирование токовой системы
Выбор преобразователя
Первым шаг в проектировании токовой системы является выбор преобразователя. Независимо от типа измеряемой величины (расход, давление, температура, и т.д.) важным фактором в выборе преобразователя является его рабочее напряжение. Только подключение источника питания к преобразователю позволяет регулировать величину тока в линии связи. Значение напряжения источника питания должно находиться в допустимых пределах : больше , чем минимально необходимое ,меньше , чем максимальное значение, которое может привести к повреждению преобразователя.
Для токовой системы, рассматриваемой в примере , выбранный преобразователь измеряет давление и имеет рабочее напряжение от 12 до 30 В. Когда преобразователь выбран, требуется правильно измерить токовый сигнал, чтобы обеспечить точное представление о давлении, подаваемом на датчик.
Выбор устройства сбора данных для измерения тока
Важным аспектом, на который следует обратить внимание при построении токовой системы, является предотвращение появления токового контура в цепи заземления. Общим приемом в таких случаях является изоляция. Использовав изоляцию, вы можете избежать влияния контура заземления , возникновение которого поясняет рис.3.
Рис.3. Контур заземления
Заземляющие контуры образуются при двух подключенных терминалов в цепи в разных местах потенциалов. Эта разница приводит к появлению дополнительного тока в линии связи, что может привести к появлению ошибок при измерениях.
Под изоляцией устройства сбора данных понимается электрическое отделение земли источника сигнала от земли входного усилителя измерительного устройства, как показано на рисунке 4.
Поскольку ток не может течь через барьер изоляции, точки заземления усилителя и источника сигнала имеют один и тот же потенциал. Таким образом исключается возможность непреднамеренно создать контур заземления.
Рис.4. Синфазное напряжение и напряжение сигнала в схеме с изоляцией
Изоляция также предотвращает от повреждения устройство сбора данных при наличии больших синфазных напряжений. Синфазным называют напряжение одинаковой полярности ,которое присутствует на обоих входах инструментального усилителя. Например, на рис.4. и положительный (+) ,и отрицательный (-) входы усилителя имеют +14 V синфазного напряжения. Многие устройства сбора данных имеют максимальный входной диапазон ±10 В. Если устройство сбора данных не имеет изоляции и синфазное напряжение выходит за максимальный входной диапазон, вы можете повредить устройство. Хотя нормальное (сигнальное ) напряжение на входе усилителя на рис.4 составляет только +2 В, добавка +14 в может дать в результате напряжение +16 В
(Сигнальное напряжение – это напряжение между » + » и » — » усилителя, рабочее напряжение есть сумма нормального и синфазного напряжения ),что представляет опасный уровень напряжения для устройств сбора с меньшим рабочим напряжением.
При изоляции общая точка усилителя электрически отделена от нуля заземления. В схеме на рисунке 4 потенциал в общей точке усилителя «приподнят» на уровень +14 V. Такой прием приводит к тому, величина входного напряжения падает с 16 до 2 В.Теперь сбора данных, устройства больше не на риск перенапряжения ущерб. (Обратите внимание, что изоляторы имеют максимальную синфазного напряжения они могут отвергнуть.)
После того как устройство сбора данных изолировано и защищено, последним шагом при комплектовании токовой петли является выбор соответствующего источника питания .
Выбор источника питания
Определить, какой источник питания наилучшим образом отвечает вашим требованиям, весьма просто. При работе в токовой петле , блок питания должен выдавать напряжение, равное или большее, чем сумма падений напряжений на всех элементах системы.
Устройство сбора данных в нашем примере использует прецизионной шунт для измерения тока.
Необходимо рассчитать падение напряжения на этом резисторе. Типовой шунтирующий резистор имеет сопротивление 249 Ω. Основные расчеты при диапазоне тока в токовой петле 4 .. 20 мА
показывают следующее:
I*R=U
0,004A*249Ω= 0,996 V
0,02A*249Ω= 4,98 V
С шунта сопротивлением 249 Ω мы можем снять напряжение в диапазоне от 1 до 5 В, увязав величину напряжения на входе устройства сбора данных с величиной выходного сигнала преобразователя давления.
Как уже упоминалось ,преобразователь давления требует минимального рабочего напряжения 12 В при максимальным 30 В. Добавив падение напряжения на прецизионном шунтирующем резисторе к рабочему напряжению преобразователя , получаем следующее:
12 В+ 5 В=17 В
На первый взгляд , хватит напряжения 17В.Необходимо ,однако, учесть дополнительную нагрузку на блок питания , которую создают провода , имеющее электрическое сопротивление.
В случаях , когда датчик находится далеко от измерительных приборов, вы должны учитывать фактор сопротивления проводов при расчетах токовой петли. Медные провода имеют сопротивление постоянному току, , которое прямо пропорционально их длине. С датчиком давления из рассматриваемого примера вам необходимо учесть 2000 футов длины линии связи при определении рабочего напряжения источника питания. Погонное сопротивление одножильного медного кабеля 2.62 Ω/100 футов . Учет этого сопротивления дает следующее :
Сопротивление одной жилы длиной 2000 футов составит 2000*2,62/100= 52,4 м.
Падение напряжения на одной жиле составит0,02* 52,4= 1,048 В.
Чтобы замкнуть цепь ,необходимы два провода ,тогда длина линии связи удваивается , и
полное падение напряжения составит 2,096 В. В итоге около 2.1 В благодаря тому ,что расстояние от преобразователя до вторичного прибора составляет 2000 футов. Просуммировав падения напряжения на всех элементах контура , получим :
2,096 В + 12 В+ 5 В=19,096 В
Если вы использовали 17 V для питания рассматриваемой схемы , то напряжение, подаваемое на преобразователь давления будет ниже минимального рабочего напряжения за счет падения на сопротивлении проводов и шунтирующем резисторе . Выбор типового источник питания 24 В удовлетворит требованиям по питанию для преобразователя. Дополнительно имеется запас напряжения для того, чтобы разместить датчик давления на большем расстоянии.
С выбором правильно подобранных преобразователя , устройства сбора данных, длины кабелей и источника питания разработка простой токовой петли завершена. Для более сложных приложений вы можете включить дополнительные каналы измерений в систему.
Tags: 4..20 мА, прецизионный резистор, токовая петля

Подключение датчиков с токовым выходом к вторичным приборам

Получившие наибольшее распространение в сфере автоматизации производства датчики с унифицированным токовым выходом 4-20, 0-50 или 0-20 мА могут иметь различные схемы подключения к вторичным приборам. Современные датчики, имеющие низкое энергопотребление и токовый выход 4-20 мА, чаще всего подключают по двухпроводной схеме. То есть к такому датчику подключается всего один кабель с двумя жилами, по которым этот датчик запитывается, и по этим же двум жилам осуществляется передача выходного сигнала 4-20 мА.

Как правило, датчики с выходом 4-20 мА и двухпроводной схемой подключения имеют пассивный выход и им для работы необходим внешний источник питания. Этот источник питания может быть встроен непосредственно во вторичный прибор (в его вход) и при подключении датчика к такому прибору в сигнальной цепи сразу появляется ток. О приборах, которые имеют встроенный во вход источник питания для датчика, говорят, что это приборы с активным входом.

Большинство современных вторичных приборов и контроллеров имеет встроенные источники питания для работы с датчиками с пассивными выходами.

Если же вторичный прибор имеет пассивный вход — по сути, просто резистор, с которого измерительная схема прибора «считывает» падение напряжения, пропорциональное протекающему в цепи току, то для работы датчика необходим дополнительный внешний блок питания. Внешний блок питания в этом случае включается последовательно с датчиком и вторичным прибором в разрыв токовой петли.

Вторичные приборы обычно проектируются и выпускаются с таким расчетом, чтобы к ним можно было подключить как двухпроводные датчики 4-20 мА, так и датчики 0-5, 0-20 или 4-20 мА, подключаемые по трехпроводной схеме. Для подключения двухпроводного датчика к входу вторичного прибора с тремя входными клеммами (+U, вход и общий) задействуют клеммы «+U» и «вход», клемма «общий» остается свободной.

Так как датчики, как уже было сказано выше, могут иметь не только выход 4-20 мА, а, например, 0-5 или 0-20 мА или их невозможно подключить по двухпроводной схеме из-за большого собственного энергопотребления (более 3 мА), то применяют трехпроводную схему подключения. В этом случае цепи питания датчика и цепи выходного сигнала разделены. Датчики имеющие трехпроводную схему подключения обычно имеют активный выход. То есть, если подать на датчик с активным выходом напряжение питания и между его выходными клеммами «выход» и «общий» подключить нагрузочное сопротивление, то в выходной цепи побежит ток, пропорциональный величине измеряемого параметра.

Вторичные приборы обычно имеют достаточно маломощный встроенный блок питания для запитки датчиков. Максимальный выходной ток встроенных блоков питания обычно находиться в пределах 22-50 мА, чего не всегда достаточно для питания датчиков имеющих большое энергопотребление: электромагнитных расходомеров, инфракрасных газоанализаторов и т.п. В этом случае для питания трехпроводного датчика приходиться использовать внешний, более мощный блок питания, обеспечивающий необходимую мощность. Встроенный во вторичный прибор источник питания при этом не используется.

Подобная схема включения трехпроводных датчиков обычно используется и в том случае, когда напряжение встроенного в прибор источника питания не соответствует тому напряжению питания, которое допускается подавать на этот датчик. Например, встроенный источник питания имеет выходное напряжение 24В, а датчик разрешается питать напряжением от 10 до 16В.

Некоторые вторичные приборы могут иметь несколько входных каналов и достаточно мощный блок питания для запитки внешних датчиков. Необходимо помнить, что суммарная потребляемая мощность всех подключенных к такому многоканальному прибору датчиков должна быть меньше мощности встроенного источника питания, предназначенного для их питания. Кроме того, изучая технические характеристики прибора необходимо четко различать назначение встроенных в него блоков (источников) питания. Один встроенный источник используется для питания непосредственно самого вторичного прибора — для работы дисплея и индикаторов, выходных реле, электронной схемы прибора и т.п. Этот источник питания может иметь достаточно большую мощность. Второй встроенный источник используется для запитки исключительно входных цепей — подключенных к входам датчиков.

Датчики с токовым выходом имеющие четырехпроводную схему подключения имеют аналогичную схему подключения, что и двухпроводные датчики с той лишь разницей, что питание четырепроводных датчиков осуществляется по отдельной паре проводов. Кроме того, четырехпроводные датчики могут иметь как активный, так и пассивный выход, что необходимо учитывать при выборе схемы подключения.

Что делать, если Вам требуется считывать показания датчика температуры, работающего в условиях промышленного производства и расположенного на расстоянии 30 метров от управляющего контроллера? После долгих раздумий и тщательного изучения существующих решений, Вы наверняка выберете не Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, Ethernet или RS-232/423, а токовую петлю 20 мА, которая с успехом используется уже более 50 лет. Несмотря на кажущуюся архаичность этого интерфейса, такой выбор, на самом деле, является оправданным во многих случаях.

В данной статье, построенной в виде вопросов и ответов, раскрываются особенности использования токовой петли для сбора данных и управления. В статье также рассказывается о различных улучшениях и модификациях токовой петли, которые были сделаны за всю историю ее практического использования.

Что такое токовая петля 20 мА?

Токовая петля 0-20 мА или токовая петля 4-20 мА представляет собой стандарт проводного интерфейса, в котором сигнал кодируется в виде аналогового тока. Ток 4 мА соответствует минимальному значению сигнала, а ток 20 мА соответствует максимальному значению сигнала (рис. 1). В типовом приложении напряжение датчика (часто милливольтного диапазона) преобразуется в токовый сигнал из диапазона 4-20 мА. Токовая петля использовалась во всех аналоговых системах еще до появления цифрового управления и заменяла пневматические системы управления в промышленных установках.

Рис. 1. При работе с датчиком токовая петля включает пять основных элементов: датчик, передатчик, источник питания, проводящий контур (петлю) и приемник

Может ли токовая петля использоваться совместно с цифровыми сигналами?

Да, может. Обычно для представления логического «0» используется токовый сигнал 4 мА, а для кодирования логической «1» используется токовый сигнал 20 мА. Подробнее об этом рассказывается далее.

Где используется интерфейс токовой петли 4-20 мА?

Он используется в основном в промышленных приложениях, в которых датчик и контроллер или контроллер и актуатор расположены на значительном удалении друг от друга, а коммуникационные кабели пролегают в помещениях с большим уровнем электромагнитных помех.

Почему используют токовую петлю, а не традиционные интерфейсы, например, RS-232, RS-423, RS-485 и т.д.?

Существует две веские причины.

Во-первых, низкоомный контур в токовой петле обеспечивает высокую стойкость к внешним шумам. В соответствии с законом Кирхгофа сумма токов замкнутого контура равна нулю. По этой причине в токовой петле невозможно ослабление или усиление тока (рис. 2). На практике питание токовой петли осуществляется от источника напряжения 12 до 30 В, но электроника передатчика преобразует напряжение в ток. С другой стороны, интерфейсы, использующие сигналы напряжения, строятся на основе высокоомных контуров, которые оказываются весьма восприимчивыми к помехам.

Во-вторых, токовая петля имеет естественную функцию самодиагностики: если контур разрывается – ток падает до нуля, что автоматически определяется схемой. После этого формируется аварийное предупреждение и производится локализация разрыва.

Рис. 2. Принцип, лежащий в основе токовой петли, определяется первым законом Кирхгофа: сумма токов замкнутого контура равна нулю

Как токовая петля реализуется на стороне датчика и на стороне актуатора?

Устройства, подключаемые к токовой петле, можно разделить на две основные группы: датчики и актуаторы. В датчиках реализуется схема передатчика, который формирует линейный токовый сигнал в диапазоне 4…20 мА. В актуаторах используется схема приемника, который преобразует ток в управляющее напряжение. Например, для задания минимальной скорости вращения двигателя контроллер формирует токовый сигнал 4 мА, а для задания максимальной скорости – сигнал 20 мА.

Почему вместо токовой петли не использовать беспроводной интерфейс, например, Wi-Fi или другой проводной интерфейс, например, Ethernet?

Выше уже было сказано, что токовая петля обладает двумя важными преимуществами: высокой помехозащищенностью и встроенной возможностью самодиагностики. Кроме того, данный интерфейс имеет и другие достоинства, в том числе: невысокую стоимость реализации, легкость настройки и отладки, простоту диагностики, высокую надежность, возможность создания длинных линий связи вплоть до нескольких сотен метров (в том случае, если источник питания позволяет покрыть падение напряжения на проводах).

Другие проводные стандарты сложнее настраивать и обслуживать, они чувствительны к шуму, слабо защищены от взлома и отличаются высокой стоимостью реализации.

Создать беспроводную связь в промышленной среде вполне возможно, если речь идет о небольших расстояниях. Но при работе на больших дистанциях возникают трудности, связнные с необходимостью многоуровневой фильтрации, реализацией механизмов обнаружения и исправления ошибок, что приводит также и к избыточности данных. Все это увеличивает стоимость и риск разрыва связи. Такое решение вряд ли оправдано, если требуется всего лишь подключить простой датчик температуры или контроллер клапана/двигателя.

Как сигнал токового контура преобразуется в напряжение?

Все довольно просто: ток проходит через резистор, а получаемое падение напряжения усиливается с помощью операционного или дифференциального усилителя. По разным причинам для резистора токовой петли было выбрано стандартное значение сопротивления 250 Ом. Таким образом, сигналу 4 мА соответствует напряжение 1 В, а сигналу 20 мА соответствует напряжение 5 В. Напряжение 1 В оказывается достаточно большим по сравнению с фоновыми шумом и может быть легко измерено. Напряжение 5 В также является весьма удобным и лежит в диапазоне допустимых значений для большинства аналоговых схем. В то же время, максимальная мощность, рассеиваемая на резисторе токовой петли (I2R), составляет всего 0,1 Вт, что приемлемо даже для устройств с ограниченными возможностями по отводу тепла.

Действительно ли токовая петля 20 мА является пережитком прошлого и используется только в устаревших электронных приборах?

Совсем нет. Производители интегральных микросхем и приборов все еще выпускают новые продукты, поддерживающие этот интерфейс.

Каким образом аналоговая токовая петля адаптируется к цифровому миру?

Как было сказано выше, токовая петля позволяет передавать цифровые данные. Результаты измерений от датчика можно посылать не в виде аналогового непрерывного сигнала, а в виде дискретных токовых сигналов. Типовая разрядность данных при этом составляет от 12 до 16 бит. Иногда используют разрядность 18 бит, но это скорее является исключением, так как для обычных промышленных систем вполне хватает и 16 бит. Таким образом, токовая петля может быть интегрирована в цифровые системы управления.

Что еще требуется для передачи цифровых данных?

Для выполнения обмена цифровыми данными будет недостаточно простой пересылки битов в виде токовых импульсов. Необходимо каким-то образом сообщать пользователю, когда начинается и заканчивается пакет данных. Кроме того, требуется контролировать появление ошибок и выполнять некоторые другие функции. Таким образом, для передачи цифровых данных с помощью токовой петли требуется определить формат кадров и реализовать соответствующий протокол передачи.

Что такое стандарт HART?

HART – общепринятый стандарт, который оговаривает не только физическое кодирование битов, но определяет формат и протокол передачи данных. Например, в формате кадра используются различные поля: многобайтовая преамбула, стартовый байт, многобайтовый адрес, поле команды, поле данных, поле, указывающее количество байтов данных, фактические данные и, наконец, контрольная сумма.

Разработка HART была инициирована Rosemount Corp в 1980-х годах, и вскоре он стал отраслевым стандартом де-факто. Обозначение HART (Highway Addressable Remote Transducer) было закреплено в 1990-х годах, когда стандарт стал открытым и даже был реализован в виде стандарта МЭК для использования в Европе. HART претерпел три основных модификации, но сохранил обратную совместимость со всеми предыдущими версиями, что является крайне важным для рынка промышленной электроники.

Дополнительной особенностью HART является включение информации о производителе электронного устройства в поле команды. Эта информация позволяет избежать путаницы при выполнении установки, отладки и документирования, так как существует более 100 поставщиков HART-совместимых устройств.

Какие еще улучшения дает HART?

Использование байтового поля адреса позволяет одной токовой петле работать с множеством подключенных датчиков, поскольку каждому датчику может быть присвоен уникальный номер. Это приводит к значительной экономии средств, затрачиваемых на прокладку проводов и монтаж по сравнению с соединением точка-точка.

Подключение множества устройств к одной общей токовой петле означает, что эффективная скорость передачи данных для каждого отдельного устройства уменьшается. Однако чаще всего это не является проблемой. Дело в том, что в большинстве промышленных приложений обновление данных и передача команд происходит довольно редко – порядка одного раза в секунду. Например, температура — наиболее часто измеряемая физическая величина- как правило, меняется достаточно медленно.

Таким образом, стандарт HART делает токовую петлю 20 мА востребованной даже в век цифровых технологий.

Есть ли какие-либо другие улучшения, которые повышают актуальность данного интерфейса?

Да, другое важное усовершенствование касается питания. Напомним, что токовая петля использует диапазон сигналов 4-20 мА. Источник тока может находиться в передатчике или приемнике. В то же время и датчику, и актуатору требуется дополнительный источник для питания собственной электроники (АЦП, усилители, драйверы и т.д.). Это приводит к усложнению монтажа и увеличению стоимости.

Однако по мере развития интегральных технологий потребление приемников и передатчиков уменьшалось. В результате появилась реальная возможность питания устройств непосредственно от токовой петли. Если потребление электронных компонентов, входящих в состав датчика или актуатора, не превышает 4 мА, то нет необходимости в дополнительном источнике питания. Пока напряжение сигнального контура достаточно велико, интерфейс токовой петли может питать сам себя.

Есть ли какие-либо другие преимущества у устройств с питанием от токовой петли?

Да. Многие устройства с питанием от сигнальных линий должны иметь разрешение на использование во взрывоопасных зонах. Например, они должны быть сертифицированы, как невоспламеняющиеся (N.I.) или искробезопасные (I.S.). Для устройств любого из этих классов требуется, чтобы энергии, потребляемой электроникой, было так мало, чтобы ее не хватало для возгорания как при нормальных условиях эксплуатации, так и при авариях. Потребляемая мощность устройств с питанием от токовой петли столь мала, что они обычно без проблем проходят данную сертификацию.

Что делают производители ИС для упрощения работы с токовой петлей?

Они делают то же, что и всегда: создают ИС, которые обеспечивают реализацию не только базового функционала, но множества других дополнительных возможностей. Например, Maxim Integrated MAX12900 представляет собой малопотребляющий высокоинтегрированный аналоговый интерфейс (AFE) для токовой петли 4-20 мА (рис. 3).

Рис. 3. MAX12900 – малопотребляющий высокоинтегрированный аналоговый интерфейс (AFE) для токовой петли 4-20 мА, который обеспечивает выполнение базовых функций, а также множества дополнительных полезных возможностей, в том числе питание напрямую от токовой петли

MAX12900 обеспечивает не только передачу данных, но и питание напрямую от токовой петли. Микросхема объединяет в одном корпусе множество функциональных блоков: стабилизатор напряжения LDO; две схемы для формирования ШИМ-сигналов; два малопотребляющих и стабильных ОУ общего назначения; один широкополосный ОУ с нулевым смещением; два диагностических компаратора, схему управления подачей питания для обеспечения плавного включения; источники опорного напряжения с минимальным дрейфом.

Можете ли вы привести пример реализации датчика с интерфейсом токовой петли?

Компания Texas Instruments предлагает TIDM-01000 – референсную схему датчика температуры с интерфейсом токовой петли 4-20 мА. Схема построена на базе микроконтроллера MSP430 и представляет собой бюджетное решение с минимальным набором компонентов.

Рис. 4. Референсная схема TIDM-01000 представляет собой датчик температуры (RTD) с токовым интерфейсом 4-20 мА. Схема построена на базе нескольких ИС, которые обеспечивают обработку показаний датчика и взаимодействие с токовой петлей

В TIDM-01000 для управления током используется модуль Smart Analog Combo (SAC), встроенный в микроконтроллер MSP430FR2355. Таким образом, отдельный ЦАП не требуется. Схема имеет 12-битное разрешение с шагом квантования выходного тока 6 мкА. Предложенное решение обеспечивает защиту от обратной полярности, а защита входов токовой петли отвечает требованиям IEC61000-4-2 и IEC61000-4-4 (рис. 5).

Рис. 5. Передатчик, построенный с использованием TIDM-01000, умещается на небольшой печатной плате. Компактность является еще одним достоинством токовой петли

Заключение

В статье были рассмотрены основные вопросы, посвященные использованию токовой петли 4-20 мА в промышленных приложениях. Несмотря на то, что этот интерфейс является настоящей «древностью» по меркам электроники, тем не менее, его по-прежнему широко используют, в том числе в современных цифровых устройствах. В статье также рассказывалось о том, каким образом питание от токового контура дополнительно расширяет возможности данного интерфейса.

Конвертер тока 4..20 mA в напряжение XY-ITOV

Промышленные датчики, сообщающие об изменении измеряемого параметра изменением тока в диапазоне 4.. 20 мА, широко распространены. Они обладают высокой помехоустойчивостью, поэтому к такому датчику можно подвести кабель длиной в несколько сотен метров. В статье я сделал подробное сравнение АЦП ESP32 и ADS1115 как раз на задаче определения тока 4..20 мА.

Простейший способ подключения датчика с токовой петлей 4..20 мА к микроконтроллеру — использовать следующую схему:

Подключение датчика тока 4..20 мА к Arduino

В ней нет гальванической развязки. Стабилитрон защищает входы микроконтроллера от напряжения превышающего 5,1 V и переплюсовки. На схеме стабилитрон и сопротивление R1 рассчитаны для микроконтроллера с 5-ти вольтовым уровнем ADC (Arduino). Для «чистых» ESP8266/32 нужны другие элементы, рассчитанные на предельное 1 V напряжение на АЦП.

Результаты моделирования работы простейшего преобразователя тока в напряжение подключения к АЦП микроконтроллера ESP8266/ESP32

Если смоделировать какое напряжение будет на АЦП микроконтроллера при протекании максимального тока в 20 мА, то видно, что из-за нелинейной вольтамперной характеристики стабилитрона происходит искажение напряжения и вместо 1V АЦП замерит 949 mV. Если-же убрать стабилитрон, есть риск выхода из строя входа микроконтроллера в случае подключения длинных линий, выступающих в роли индуктивности. Диод защищает вход микроконтроллера от отрицательных скачков напряжения.

В первой схеме, ток протекая через сопротивлление 250 Ом по закону Ома приводит к появлению на нем напряжения U = I*R.
Umin = 4 мА * 250 Ом = 1 В.
Umax = 20 мА * 250 Ом = 5 В.

Резистор соответствует уровню логики Arduino. Для микроконтроллеров ESP8266/ESP32 распаянных на плате с резистивным делителем преобразующим 3,3 В в 1 V на ADC сопротивление должно быть R = U/I. Rmax = 3 В / 20 mA = 150 Ом. Если же на плате не распаян резистивный делитель напряжения, тогда на АЦП напряжение не должно превышать 1,1 V.

Проверяем, что резистор стандартный с помощью калькулятора. Или сразу рассчитываем сопротивление подходящего резистора с помощью Resistance calculator. Падение напряжения на резисторе при минимальном токе Umin = 4 mA * 150 = 0,6 Вольт.

Есть и более сложные схемы. Не знаю из какой книги скан, нашел эту страничку на просторах Интернет. Буду благодарен, если перешлете ссылку:

Чтобы точно измерить изменение тока, резистор R1 на 250 Ом для Arduino на котором микроконтроллер замеряет напряжение (U = I*R) должен быть с минимальным допуском: 1% или лучше.

Здесь не подходит гальваническая развязка оптроном, поскольку его характеристика нелинейная, поэтому он будет искажать измерения.

Плата для преобразования тока 4..20 мА в напряжение

После продолжительных поисков мне удалось найти на Aliexpress модуль, реализующий преобразование ток 4..20 мА в напряжение и достаточно защищенный от разных напастей. Приобретал у этого продавца.

Напряжение питания модуля 7-36V. Если выставлен диапазон выходного напряжения 10 V, то напряжение питания должно быть не меньше 12 V.

Преобразователь тока 4..20 мА в напряжение для подключения к АЦП микроконтроллера

На плате распаяно:

  • Прецизионный резистор на котором замеряется падение напряжения.
  • Защита входа от ошибки с полярностью.
  • Защита от превышения напряжения >5 V.
  • Усилитель, обеспечивающий напряжение на выходе в определенных диапазонах, заданных джамперами.

Настройка платы на нужный диапазон выходного напряжения производится джамперами.

  • ON: jumper cap buckles on the two jumper pins — джампер закорочен
  • OFF: two jumper pins without the jumper cap — джампер снят
Range, Volt J1, перемычка 1-2 J1, перемычка 3-4
0 — 2.5 ON ON
0 — 3.3 OFF OFF
0 — 5.0 ON??? ON
0 — 10.0 ON OFF

Для точной настройки преобразователя тока 4..20 мА в напряжение нужно подобрать значения двух потенциометров: ZERO и SPAN, соответствующие нулевому и максимальному значению тока на входе. Потенциометры претензионные с широким шагом.

  • При минимальном токе на входе (0 mA или 4 mA), вращая потенциометр ZERO, настроить нужное напряжение на выходе, соответствующее заданному току нуля. Вращение по часовой стрелке увеличивает напряжение на выходе.
  • Я не рекомендую выставлять 0 Вольт при минимальном токе 4 мА, поскольку в этом случае микроконтроллер не сможет определить оборван ли кабель к датчику или он действительно показывает минимальные значения.
  • При максимальном токе в 20 мА, вращая переменное сопротивление SPAN, подбирается максимальное значение в выствленном джамперами диапазоне. Вращение по часовой стрелке увеличивает напряжение на выходе.

Тестирование конвертера тока 4..20 мА в напряжение

Для настройки конвертера на вход подадим ток с простой последовательной цепочки источник питания (ИП) + резистор. По закону Ома, если напряжение ИП = 5 В, то^

  • Для тока 4 мА потребуется сопротивление R = 1,25 кОм (ближайший 1,2 кОм).
  • Для тока 20 мА — 250 Ом.

При этом учитываем тот момент, что на входе XY-ITOV, судя по моим замерам, стоит сопротивление на 99,5 Ом. Соответсвенно, в цепи уже есть сопротивление ~100 Ом. Поэтому значения граничных сопротивлений будут:

Ддя 4 мА — 1,15 кОм

Для 20 мА — 150 Ом.

Последовательно соединяем резистор на <150 Ом и прецизионное переменное сопротивление >1,2 кОм. Я использовал на 10 кОм, под рукой не оказалось другого.

Калибровка XY-ITOV конвертера тока 4..20 мА в напряжение

  • Подключил XY-ITOV к источнику питания ~14 V. Если джамперами выставлено напряжение до 10 V, то источник питания должен быть >12V.
  • Оба джампер-а снял, чтобы диапазон напряжений был 0..3,3 V.
  • Подключаю амперметр как указано на схеме.
  • Подключаю мультиметр к клеммам Vout и GND и вращая потенциометр ZERO выставляю нижний диапазон напряжений на Vout. Я выставил 0,66 V для тока 4 mA.
  • Вращая потенциометр R1 подбираю ток на амперметре 20 mA.
  • Подключаю мультимер к клеммам Vout и вращая потенциометр SPAN выставляю верхний диапазон напряжений на Vout. Я выставил 3,3 V для тока 20 mA.
  • Если снять соединение источника питания с I-/I+, имитируя обрыв провода до сенсора, то на выходе будет напряжение 0,08 V.
  • Конвертер тока 4..20 mA в напряжение XY-ITOV откалиброван для работы.
  • Если вместо источника питания с напряжением >7 V использовать меньшее напряжение, для теста я использовал 5 V, преобразователь показывает Vou t= 2,94 V. При этом калибровка не проходит. Вращение потенциометра SPAN не приводит к изменению напряжения на выходе. Оно остается = 2,94 V.

Поключение преобразователя тока в напряжение к ESP8266

Wemos D1 mini (ESP8266) широко представлен на Aliexpress по цене менее 3 USD. Подключим плату преобразователя тока в напряжение к этому микроконтроллеру.

После тщательной калибровки подключаем землю от конвертера к пину G(ND) Wemos D1 mini, а Vout к пину A0.

Поскольку конвертер 10-ти битный, то количество уровней равно 2^10 = 1024. В теории, диапазон измерения напряжения АЦП ESP8266 от 0 до 1 V. Производители плат распаивают дополнительный резистивный делитель напряжения, поэтому данные о том, какое напряжение поддерживает АЦП нужно смотреть у производителя платы. 🙁 В источниках указывается, что «Wemos D1 Mini has already build in divider R1 220k/ R2 100k for pin A0», поэтому напряжение может меняться от 0 до 3,3 V. При калибровке было выставлено, что 20 mA соответствует 3 V. Верхнему напряжению должно соотвествовать значение 1023, поскольку 0 соответствует 0, а всего 1024 уровня. Расчетно получаем, что L = 1023*3/3,3 = 930.

Однако, если подать на вход аналогового входа напряжение 3 V, то АЦП отобразит значение 991, что значительно отличается от теоретического расчета. Если пересчитать какой-же верхний предел соотвествует полученному для 3 V значению, то получится: 991*3,3/1023 = 3,196774 V. В общем, то-ли АЦП настолько плох, то-ли какие-то иные проблемы.

Формула для пересчета значения АЦП в ток, I = adc*20(mA)/991, где adc — величина, считанная с входа АЦП.

void setup() { Serial.begin(115200); } void loop() { float adcr = analogRead(0); float val = adcr*20/991; Serial.print(«ReadADC: » + String(adcr) + «\t»); Serial.println(«ReadADC, mA: \t» + String(val)); delay(500); }

После запуска программы получаем следующие результаты:

21:21:54.448 -> ReadADC: 992.00 ReadADC, mA: 20.02 21:21:54.928 -> ReadADC: 991.00 ReadADC, mA: 20.00 21:21:55.441 -> ReadADC: 991.00 ReadADC, mA: 20.00 21:21:55.955 -> ReadADC: 991.00 ReadADC, mA: 20.00 21:21:56.435 -> ReadADC: 991.00 ReadADC, mA: 20.00 21:21:56.951 -> ReadADC: 991.00 ReadADC, mA: 20.00

Если отсоединить источник тока, то АЦП показывает нулевое значение. Разрядности АЦП не хватает, чтобы распознать столь маленькое значение напряжение. По нулю на АЦП можно идентифицировать обрыв провода.

ЦАП может быть программно переключен на измерение напряжения питания, в этом случае значения со входа A0 читать бессмысленно.

ADC_MODE(ADC_VCC) //Switch ADC to measuring battery level float batterylevel; void setup(){ Serial.begin(115200); batterylevel = ESP.getVcc(); if (batterylevel <= 2170){ ESP.deepSleep(0); } } void loop() { Serial.print(«Battery level is: » + String((batterylevel / 1000.0))); }

Поключение преобразователя тока в напряжение к ESP32

Подключаю землю от конвертера к пину G(ND) ESP32 DevKit, а Vout к пину ADC1_0 (GPIO36). В общем-то можно переносить код ESP8266 на ESP32 — он будет работать с парой правок: pin для чтения не 0, а 36 и поправочный коэффициент ориентировочно 3350. Точно откалибровать сложно. 12-битный АЦП достаточно точный, поэтому будет читать и малейшие изменения входного напряжения. Кроме того сам АЦП без откалиброванного опорного напряжения (reference voltage) не сможет обеспечить точные измерения.

void setup() { Serial.begin(115200); } int lastMillis = 0; void loop() { int currentMillis = millis(); if (currentMillis — lastMillis > 500) { float adcr = analogRead(A0); float val = adcr*20/3350; Serial.print(«Read ADC pin : » + String(adcr) + «\t»); Serial.println(«ReadADC, mA: \t» + String(val)); lastMillis = currentMillis; } }

Можно использовать другой вариант кода для измерения напряжения на ESP32. Но в этом случае поправочный коэффициент будет 3850:

#include &lt;driver/adc.h> void setup() { Serial.begin(115200); adc1_config_width(ADC_WIDTH_BIT_12); adc1_config_channel_atten(ADC1_CHANNEL_0, ADC_ATTEN_DB_11); } int lastMillis = 0; void loop() { int currentMillis = millis(); if (currentMillis — lastMillis > 500) { float adcr = adc1_get_raw(ADC1_CHANNEL_0); float val = adcr*20/3850; Serial.print(«Read ADC pin : » + String(adcr) + «\t»); Serial.println(«ReadADC, mA: \t» + String(val)); lastMillis = currentMillis; } }

Для сглаживания шума в схемотехнику ESP32 производитель рекомендует добавить емкость 0.1 uF на вход АЦП, который задействован и использовать усреднение по нескольким отсчетам.

Конвертер напряжения в ток 4..20 мА

По можно найти антипод ранее рассморенному модулю, производящий обратное преобразование напряжение в ток 4..20 мА (voltage to current converter). Этот модуль при подключении к датчику напряжения позволит увеличить длину кабеля от него до микроконтроллера.

Конвертер напряжения в ток 4..20 мА

Аналоги преобразователей тока 4..20 мА

Если искать на просторах интернет то конвертеры тока 4..20 мА в напряжение от брендовых производителей стоят недешево, ~22 USD. Например, такой. К нему можно подключить до 4-х сенсоров, т.е. цена за сенсор в районе 5 USD. На плате уже есть 16-ти разрядный АЦП, это ещё около 1,5 USD экономии. 🙂

Fritzing part для current to voltage 4..20 mA converter

XY-ITOV Fritzing part (fzpz) file.

Не нашел в Интернет подходящий fritzing part для конвертера тока 4..20 мА в напряжение. Поэтому нарисовал свой. Брать . Не забываем лайкать. 🙂

Полезные ссылки

  • Работа с ADC (АЦП) в ESP32 в документации от Espressif (ENG).
  • Работа с ADC (АЦП) в ESP32 в документации от NodeMCU (ENG).
  • Рекомендации по схемотехнике ESP32 от производителя. Обратить внимание на VDDA — analog power supply — опорное напряжение для АЦП.
  • Пример работыс АЦП ESP32 (ENG).
  • Работа с ADC в ESP8266 (Eng).
  • ADC в ESP8266 (Eng).
  • Обсуждение какое максимальное напряжение у АЦП ESP8266 (ENG).
  • Обсуждение как использовать АЦП ESP8266 (RUS).
  • Обсуждение точности АЦП ESP32 (ENG).

admin

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Наверх