Задаем ток 4–20мА с помощью XTR111.

В данном уроке мы с Вами соберем преобразователь напряжение–ток на микросхеме XTR111. На вход схемы будем подавать управляющее напряжение, а на выходе получать токовый сигнал в диапазоне примерно от 4мА до 20мА.

Диапазон 4–20мА широко используется в промышленной автоматике для передачи аналоговых сигналов от датчиков и различных измерительных устройств на ПЛК. Например, такой сигнал можно подать на аналоговый вход контроллера Siemens или другого промышленного контроллера.

Схема подключения XTR111.

Для работы будем использовать следующую схему:

Разъем J1 используется для подачи входного управляющего напряжения. Разъем J2 — питание схемы. Разъем J3 — токовый выход.

Основным элементом схемы является микросхема XTR111AIDGQR. Она преобразует напряжение на входе VIN в выходной ток. Для работы выходного каскада используется внешний P-канальный MOSFET BSP170P. Транзистор принимает на себя основную часть рассеиваемой мощности и позволяет работать XTR111 с промышленным напряжением питания.

Как XTR111 задает выходной ток.

Главная формула из документации XTR111 выглядит следующим образом:

Где V_IN — напряжение на 6 выводе микросхемы, а R_SET — сопротивление между выводом SET и землей. В нашей схеме это резистор R6 = 1,65кОм.

Рассчитаем напряжение, необходимое для получения 4мА:

Теперь рассчитаем верхнюю точку при напряжении 3,3В:

Таким образом, при сопротивлении R6 = 1,65кОм микросхеме необходимо получить на выводе VIN приблизительно 0,66В для тока 4мА и 3,3В для тока 20мА.

Встроенный источник 3,3В.

В XTR111 имеется собственный регулируемый источник напряжения. В нашей схеме он настроен на 3,3В резисторами R2 = 3,3кОм и R3 = 33кОм.

Для нашей нумерации резисторов расчет имеет вид:

На собранной схеме напряжение на 5 выводе REGF также составило 3,3В, поэтому данный узел работает правильно.

Для чего нужны R1, R4 и R5.

Если просто подать 0В непосредственно на VIN, XTR111 будет стремиться получить ток около 0мА. Но нам требуется, чтобы при минимальном входном сигнале на выходе оставалось примерно 4мА.

Для этого на вход VIN добавлено постоянное смещение от источника 3,3В. Смещение формируется цепью R1, R4 и R5. При увеличении входного напряжения напряжение VIN также увеличивается, и вместе с ним возрастает выходной ток.

Резисторы R4 = 10кОм и R5 = 1кОм оставлены без изменения. Резистор R1 используется для настройки нижней точки токового диапазона.

Настройка нижнего значения 4мА.

Первоначально в схеме был установлен резистор R1 = 40кОм. При входном напряжении 0В на выводах 6 VIN и 7 SET было измерено приблизительно 1,2В.

Проверим полученный ток по формуле XTR111:

На практике измеренный ток был около 7мА. То есть сама XTR111 отрабатывала правильно, но напряжение смещения на VIN оказалось слишком большим.

Для уменьшения минимального тока необходимо уменьшить напряжение на VIN. Для этого сопротивление R1 было увеличено. Вместо первоначальных 40кОм был установлен резистор 100кОм.

Для данной собранной схемы этот номинал оказался практически соответствующим необходимой нижней точке 4мА. Поэтому в окончательном варианте R1 = 100кОм.

Если требуется выставить не 3,89мА, а максимально близко к 4,00мА, номинал R1 можно немного уменьшить и подобрать по миллиамперметру. Практически удобно использовать постоянный резистор и небольшой подстроечный участок.

Почему VIN и SET имеют одинаковое напряжение.

Во время проверки схемы на 6 и 7 выводах XTR111 было практически одинаковое напряжение. Это нормальная работа микросхемы. Внутренний усилитель XTR111 регулирует ток так, чтобы напряжение на SET повторяло напряжение VIN.

Поэтому для быстрой проверки схемы достаточно измерить VIN и воспользоваться основной формулой:

Например, если на VIN измерено 0,642В:

Назначение основных выводов XTR111.

Выходной каскад.

XTR111 работает совместно с внешним P-канальным MOSFET BSP170P. Микросхема управляет его затвором через вывод VG, а ток контролируется через вывод IS. Такое включение позволяет вынести основную рассеиваемую мощность на внешний транзистор.

PNP-транзистор SMMBT2907ALT1G вместе с резистором 15Ом образует цепь ограничения аварийного тока. Еще один резистор 15Ом установлен в выходной линии. Конденсатор C3 используется для фильтрации выходного сигнала.

Порядок проверки готовой платы.

1. Подключаем питание схемы и проверяем напряжение на выводе 5 REGF. Оно должно быть около 3,3В.

2. Подаем на J1 минимальный сигнал — 0В.

3. Измеряем напряжение на выводах 6 VIN и 7 SET. Для тока около 4мА оно должно находиться примерно возле 0,66В.

4. Включаем миллиамперметр в выходную цепь J3 и контролируем ток. В нашей схеме с R1 = 100кОм получено 3,89мА.

5. Подаем максимальное управляющее напряжение и проверяем верхнюю точку диапазона. При VIN = 3,3В и R6 = 1,65кОм расчетное значение составляет 20мА.

Номиналы рабочей схемы.

Итог.

С помощью XTR111 можно получить достаточно простой преобразователь управляющего напряжения в промышленный токовый сигнал 4–20мА. Главный параметр преобразования задается резистором RSET. В нашей схеме установлен R6 = 1,65кОм, поэтому 3,3В на VIN соответствуют приблизительно 20мА.

Для получения нижней точки около 4мА используется дополнительное смещение VIN. Первоначальный R1 = 40кОм давал около 7мА при нулевом входном сигнале. После замены R1 на 100кОм ток уменьшился до 3,89мА, что практически соответствует необходимой нижней точке.