Piyasada bulunan geniş yelpazedeki sensörlerden de anlaşılacağı üzere, analog endüstriyel iletim standartları hâlâ kullanımdadır. Kullanımda olan mevcut sistemler bazen bakım veya yeni sensörlerle genişletme gerektirir.
Daha önce paylaşılan “AD694JNZ 0.10V 4.20mA 0.5V 4.20mA Dönüştürücü Devresi” projesine göre daha düşük maliyetli bir uygulama
4-20mA 0-10V Dönüştürücü Parametreleri:
- 4..20 mA aralığındaki akımın 0…10 V aralığındaki DC voltaja dönüştürülmesi
- Basit kalibrasyon
- Çıkış direnci: 100Ω
- Çıkışın 0..5V standardına uyarlanma seçeneği
- Güç kaynağı: 15..32V DC, tipik olarak 24 VDC
- Akım tüketimi: yaklaşık 20mA.
Akım-voltaj dönüşümü basit bir direnç kullanılarak en kolay şekilde gerçekleştirilir ve Ohm yasası gerisini halleder. Ne yazık ki, standart bir 4-20 mA akım döngüsü ve tipik bir çıkış yük direnci olan 250Ω ile 1 ile 5V arasında değişen bir DC voltajı elde ederiz. Bu aralık, 0-5 V standardıyla veya endüstriyel uygulamalarda daha popüler olan 0-10 V standardıyla tam olarak uyumlu değildir, çünkü PLC girişindeki ADC’nin sunduğu tüm işlem aralığını kullanmaz.
Bu nedenle, 4-20 mA akım döngüsü çıkışını doğrusal olarak 0-10 V voltaj girişine dönüştürmek için basit bir direnç bölücü yeterli olacaktır! Ancak hepsi bu kadar değil, çünkü iki direnci değiştirmek, bu devrenin 0-5 V standardına göre çalışmasını da sağlayacaktır.
4-20mA 0-10V Dönüştürücü Devre Şeması
Akım döngüsü vericisinden akan akım, J1 konnektörünün terminalleri ve R1 direnci üzerinden akar ve burada bir gerilim düşümüne neden olur; bu daha sonra direnç R2 ve kondansatör C1’den oluşan basit bir devre tarafından alçak geçiren filtreden geçirilir.
1-5 V aralığındaki önceden filtrelenmiş DC voltajı kaydırılmalı ve 0-10 V aralığına yükseltilmelidir. Bu, LM358 opamp entegresine dayalı bir ters çevirmeyen yükselteç kullanılarak elde edilir. Bu yükselticide, ters çevirmeyen giriş, R3 ve R4 dirençlerinden oluşan bir gerilim bölücüden türetilen bir potansiyelle öngerilimlenir. Bu yükseltecin kazancı da R5 direnci ve bölücü R3+R4’ün birleşik çıkış direnci tarafından belirlenir. C2 kondansatörü, yükseltecin bant genişliğini sınırlayarak çıkıştaki etkin gürültü voltajını azaltır. LM358 işlemsel yükseltecinin çıkışına seri olarak bağlanan R6 direnci, uzun ekranlı bir kablo gibi yüksek kapasitif bir yükü sürerken uyarılmasını önlemek üzere tasarlanmıştır.
R2 direnci, alçak geçiren bir filtre oluşturmanın yanı sıra, LM358 yükseltecindeki giriş transistörünün tabanını besleyen akımı da telafi eder. Ters çeviren girişine güç veren devrenin net direnci 4kΩ’dur. Ters çevirmeyen giriş ise, akım kaynağının (akım döngüsü vericisi) iç direnci çok yüksek olduğundan, R1 ve R2 dirençlerinin seri bağlandığını görür. Teorik olarak, R2’nin direnci 3751Ω olmalıdır, ancak seri olarak 3,9kΩ’luk bir değer iyi bir yaklaşık değer olacaktır.
Yukarıda açıklanan amplifikatörün doğru çalışması için 5 V’luk bir referans voltajı gereklidir. Burada, çok turlu bir potansiyometre kullanarak küçük aralıklı çıkış voltajı ayarına olanak tanıyan bir devrede, popüler LM317 regülatörü kullanılmış. Bu, direnç değerlerindeki değişikliklerden veya LM317 devresine dahil edilen referans voltaj kaynağından bağımsız olarak 5 V’luk bir voltaj elde edilmesini sağlar. Ayrıca, bu regülatörün çıkışından biraz daha yüksek bir akım çekilebilir ve bu da tüm devreyi beslemek için faydalıdır. C7 kondansatörü, dalgalanma oranını (PSRR) iyileştirerek çıkış voltajı dalgalanmasını azaltır.
LM358 teorik olarak asimetrik bir güç kaynağıyla çalışabilir, ancak sıfır çıkış voltajı elde etmek sorunludur. Cihazın düşük çıkış voltajlarındaki performansını artırmak için devreye basit bir negatif voltaj üreteci eklenmiştir. İyi bilinen, popüler olan NE555 entegre devre, yaklaşık %50 çıkış darbe görev döngüsüne sahip bir kararsız jeneratör olarak çalışır. Maksimum 18VDC besleme voltajı sayesinde, daha önce açıklanan regülatör tarafından beslenir. Bu zamanlayıcının çıkışı, yaklaşık -3V çıkış voltajı sağlayan basit bir diyot-kondansatör voltaj invertörünü kontrol eder. Bu çok büyük bir fark olmasa da, LM358’in düşük çıkış sürücü seviyelerinde performansını artırmak için yeterlidir.
LM358 çipi iki operasyonel amplifikatör içerir. Kullanılmayan ikinci amplifikatör, regülatör çıkışından gelen 5V potansiyeli tarafından girişi öngerilimlenmiş bir voltaj izleyici olarak bağlanmıştır. Teorik olarak, bunu kullanarak ek NE555 entegresini kullanmadan bir kararsız jeneratör uygulamak mümkün olabilir, ancak bu iki soruna yol açar:
İlki, bu devrenin kendi kendine güç sağlamasından kaynaklanır, çünkü ürettiği negatif voltaj, devrenin kendi negatif besleme hattına uygulanacaktır ve bu da jeneratörün uyarılmasında sorunlara neden olabilir.
İkincisi, silikon yapının bir bölümünde üretilen darbeler, voltaj amplifikatörünü uygulayan bitişik parçaya nüfuz edebilir. Bu nedenle, devrenin küçük bir genişlemesi pahasına bile olsa, negatif voltaj beslemesini uygulamak için tamamen ayrı bir entegre kullanılmasına karar verilmiş.
Başlatma sırasında, P1 potansiyometresi kullanılarak 5 V referans voltajının ayarlanması gerekir. Bunun için J3 konnektörüne güç bağlayın; bu, dalgalanmalardan iyi filtrelenmiş, ancak mutlaka regüle edilmemiş, 15-32V aralığında bir DC voltaj olmalıdır.
PLC’lere ve sensörlerine güç sağlamak için sıklıkla kullanılan 24 V voltajını kullanabilirsiniz. İzin verilen besleme voltajının alt sınırı, LM358 operasyonel amplifikatörün çıkış katının 10V çıkış voltajında düzgün çalışmasını sağlama gerekliliğinden, maksimum sınır ise bileşenlerin dayanıklılığından kaynaklanır.
Sistemi çalıştırdıktan sonra, sistem topraklaması (GND terminali) ile PAD1 lehim pedi arasına mümkün olan en yüksek hassasiyete sahip bir voltmetre bağlayın ve P1 potansiyometresini, voltmetrenin gösterdiği voltaj 5 V olacak şekilde ayarlayın.
Bu, sonraki akım-voltaj dönüşümündeki hatayı etkiler, bu nedenle bu adım ne kadar doğru gerçekleştirilirse, sistemin sonraki çalışması için o kadar iyi olur.
Doğru şekilde ayarlanmış bir devre çalışmaya hazırdır. Devrenin girişi, akım döngüsü verici çıkışının bağlanması gereken J1 konnektörüdür. J2 konnektör terminallerinde, giriş akımını doğrusal olarak temsil eden (uygun bir ofsetle) bir voltaj mevcuttur: 0V, 4mA’lik bir akıma, 10V ise 20mA’lik bir akıma karşılık gelir. Giriş akımı 4mA’den düşükse (örneğin, akım döngüsü açıldıktan sonra), çıkış voltajı negatif olur, ancak yaklaşık -2V’un altına düşmez. Bu durumda, R6 çıkış direnci, bir sonraki kademenin giriş koruma diyotlarından geçen akımı sınırlayabilir.
Bağlantılar yapılırken 100Ω’un biraz üzerinde bir çıkış direnci dikkate alınmalıdır, çünkü bu voltajı ölçen devrenin giriş direnci çok düşükse hatalı bir sonuç elde edilebilir. Tipik PLC’lerin giriş direnci 100kΩ’dur, bu nedenle R6 direnci burada ihmal edilebilir bir hataya neden olacaktır; normal bileşen saçılmasından kaynaklanan hata daha büyük olacaktır. Ancak, gerilim bölücü oluşturulurken R6 direnci de dikkate alınmalıdır.
0..5 V standardıyla uyumluluk sağlamak için Önerilen bileşen değerleri, bu bölücünün üst kolu, alt koldan 100Ω daha düşük toplam dirence sahip dirençler içerdiğinden, 2’ye eşit bir voltaj bölünmesi sağlar.
Böyle bir cihazın çıkış direnci 500Ω’dur ve çoğu uygulama için, örneğin bir mikrodenetleyicinin analog-dijital dönüştürücüsünün girişine bağlanmak için yeterli olacaktır. Bu devrede başka bir değişiklik yapılabilir. Voltaj çıkışının 0..5V aralığında değişmesini sağlamak için, R3 ve R4 dirençlerini %1 toleranslı 30kΩ dirençlerle değiştirmeniz yeterlidir. Çıkış direnci bu durumda 100Ω’da kalacaktır.
0..5 V çıkış voltajı aralığı elde etmek için bir voltaj bölücünün bağlanmasına örnek;
LM317 entegresi bir soğutucuya ihtiyaç duymaz. Yapısı içindeki maksimum güç dağılımı yaklaşık 0,5 W’ı geçmemelidir TO220 paketi bu değeri karşılayabilir. Devrenin sıkı ve hava geçirmez bir muhafaza içinde olduğu durumlarda, bu regülatörü daha uzun pinlere lehimleyip üzerine bir soğutucu takmak faydalı olacaktır; çünkü bu gibi durumlarda tek başına metal bir parça yeterli olmayabilir. Özellikle 24 V veya üzeri gibi daha yüksek besleme voltajlarında çalışırken geçerlidir.
Kaynak: ep.com.pl/projekty/projekty-ep/16447-konwerter-4-20-ma-na-0-10-v
