4-20 mA tester prúdovej slučky s použitím op

Senzory sú neoddeliteľnou súčasťou každého meracieho systému, pretože pomáhajú prevádzať parametre z reálneho sveta do elektronických signálov, ktorým stroje rozumejú. V priemyselnom prostredí sú bežne používaným typom snímačov analógové snímače a digitálne snímače. Digitálne snímače komunikujú s nasledujúcimi protokolmi 0 a 1, ako sú USART, I2C, SPI atď. A analógové snímače môžu komunikovať prostredníctvom premenného prúdu alebo premenlivého napätia. Mnoho z nás by malo byť oboznámených so snímačmi, ktoré vydávajú premenlivé napätie, ako je LDR, snímač plynu MQ, snímač Flex atď. Tieto analógové snímače napätia sú prepojené s prevodníkmi napätia na prúd, ktoré prevádzajú analógové napätie na analógový prúd a menia sa na snímač premenného prúdu.

Tento snímač s premenlivým prúdom sa riadi protokolom 4 - 20 mA, čo znamená, že snímač vydá 4 mA, keď sú namerané hodnoty 0 a bude vydávať 20 mA, keď je nameraná hodnota maximálna. Ak výstup zo snímača predstavuje niečo menej ako 4 mA alebo viac ako 20 mA, môže sa to považovať za poruchový stav. Senzor vysiela prúd cez krútené dvojlinky, ktoré umožňujú, aby energia aj dáta mohli prúdiť iba cez 2 vodiče. Najnižšia alebo nulová hodnota je 4 mA. Je to tak kvôli situácii, že keď je výstup nulový alebo 4 mA, môže stále napájať zariadenie. Pretože sa signál prenáša ako prúd, je možné ho vysielať na veľké vzdialenosti bez obáv z poklesu napätia v dôsledku odporu vodiča alebo odolnosti proti šumu.

V priemyselných odvetviach je kalibrácia snímača rutinným procesom a na kalibráciu systému a tiež na riešenie problémov s chybami sa vykonáva testovanie prúdovej slučky. Pri testovaní prúdovej slučky využíva proces overovania, ktorý kontroluje rozbitie komunikačnej linky. Taktiež kontroluje výstupný prúd vysielača. V tomto projekte vytvoríme základný tester prúdovej slučky s použitím niekoľkých komponentov, ktorý nám umožní ručné nastavenie prúdu od 4ma do 20mA otáčaním potenciometra. Tento obvod možno použiť ako fiktívny snímač na emuláciu programov alebo na ladenie.

Požiadavky na komponenty

1. PNP tranzistor (používa sa BC557)
2. Operačný zosilňovač (používa sa JRC4558)
3. 300k rezistor
4. 1k rezistor
5. 50k 10otáčkový potenciometer.
6. 100pF 16V
7. 0,1uF 16V - 2ks
8. 100R rezistor - tolerancia 5%
9. LED (ľubovoľná farba)
10. Napájanie 5V
11. Nepál
12. Pripojovací drôt
13. Multimetr na meranie prúdu

Poďme sa pozrieť na dôležité komponenty použité v tomto projekte. Na nasledujúcom obrázku je zobrazený tranzistor PNP s vývodom BC557.

Toto je jeden z najbežnejších trojpinových tranzistorov PNP. BC557 je identický pár NPN BC547. Zľava doprava sú kolíky Emitter, Base a Collector. Ďalšie ekvivalentné tranzistory sú BC556, BC327, 2N3906 atď.

Tu použitý operačný zosilňovač (JRC4558) sleduje rovnaký pinový diagram, aký sa používa v iných typoch operačných zosilňovačov. Pin 1, Pin 2, Pin 3 sa používajú pre jeden operačný zosilňovač a Pin 5, 6, 7 pre druhý kanál. Pre tento projekt možno použiť akýkoľvek kanál. 8. pin je kladný zdroj napájania a 4. pin je GND. Pre tento projekt sa používa zosilňovač JRC4558D, ale budú fungovať aj ďalšie operačné zosilňovače. Ako napríklad - TL072, LM258, LM358 atď.

Piaty komponent v zozname dielov, potenciometer 50 k 10 otáčok, je z dielne Bourns. Číslo dielu je 3590S-2-503L. Je to však trochu nákladná súčasť. Na tento účel je najvhodnejší hrniec s 10 turnami, ale dobre fungovali aj ďalšie všeobecné potenciometre. Rozdiel je v tom, že pri všeobecnom potenciometri bude rozlíšenie menšie, kvôli čomu nebude prírastok alebo úbytok aktuálneho zdroja plynulý. V tomto projekte sa používa Bournsov potenciometer. K pinouts potenciometra BOURNS je trochu mätúce v porovnaní so štandardnými potenciometrom pinouts. Na spodnom obrázku je prvý kolík zľava kolík stierača. Pri pripájaní tohto potenciometra v akejkoľvek aplikácii je potrebné byť opatrný.

Schéma zapojenia

Kompletné zapojenie pre tester prúdovej slučky 4 - 20 mA je uvedený nižšie.

Ako vidíte, obvod je veľmi jednoduchý, skladá sa z operačného zosilňovača, ktorý poháňa tranzistor. Výstupný prúd z tranzistora je napájaný LED, ktorá sa môže meniť od 0 mA do 20 mA zmenou potenciometra a dá sa merať pripojeným ampérmetrom, ako je znázornené vyššie.

Operačný zosilňovač je navrhnutý tak, aby fungoval ako zdroj prúdu so zápornou spätnou väzbou. Vstupné premenné napätie sa privádza na neinvertujúci kolík Op-Amp pomocou potenciometra. Maximálny výstupný prúd (v tomto prípade 20 mA) sa nastavuje pomocou odporu pripojeného k invertujúcemu kolíku operačného zosilňovača. Teraz na základe napätia dodávaného neinvertujúcemu kolíku z banky, operačný zosilňovač skreslí tranzistor tak, aby cez LED napájal konštantný prúd. Tento konštantný prúd bude udržiavaný bez ohľadu na hodnotu odporu záťaže pôsobiacu ako zdroj prúdu. Tento typ zosilňovača sa nazýva transkonduktančný zosilňovač. Obvod je jednoduchý a dá sa ľahko zostrojiť na nepájivej doske, ako je to znázornené nižšie.

Funguje na testéri prúdovej slučky 4 - 20 mA

LED tu slúži ako záťaž a obvod prúdovej slučky dodáva záťaži požadovaný prúd. Zaťažovací prúd dodáva BC557, ktorý je priamo riadený operačným zosilňovačom 4558. Na kladnom vstupe zosilňovača je potenciometrom dodávané referenčné napätie. V závislosti na referenčnom napätí poskytuje operačný zosilňovač predpäťový prúd na základňu tranzistora. Dodatočný sériový rezistor sa pripája cez potenciometer na obmedzenie referenčného napätia aj výstupu zosilňovača, čím sa vytvorí hranica 0 mA až 20 mA. Zmenou tejto hodnoty odporu sa tiež zmení hranica minimálneho a maximálneho prúdového výstupu.

Testovanie obvodu

Akonáhle je obvod zostavený, napájajte ho pomocou regulovaného zdroja 5 V. Použil som napájací zdroj nepájivého poľa, podobný tomu, ktorý sme postavili predtým, na napájanie obvodu, ako je zobrazené nižšie.

Poznámka: Pre rezistor 300k sa používajú dva rezistory v sériách 100k a 200k.

Na testovanie obvodu som použil multimetr v režime Amp a pripojil som jeho sondy namiesto ampérmetra zobrazeného na schéme zapojenia. Ak ste s multimetrami nováčikom, môžete si prečítať tohto sprievodcu používaním multimetra. Pri zmene potenciometra si možno všimnúť aktuálnu hodnotu na multimetri od 4 mA do 20 mA. Kompletné funkčné videá možno nájsť na kĺb.

Aplikácie obvodu testeru súčasnej slučky

Hlavnou aplikáciou testera prúdovej slučky 4 - 20 mA je testovanie alebo kalibrácia PLC strojov, ktoré prijímajú protokol 4 - 20 mA a poskytujú údaje na nich závislé. Preto nesprávna kalibrácia viedla k chybovej hodnote vnímanej PLC. Nielen kalibrácia, ale je to aj pohodlný proces na kontrolu poškodenia súčasného obvodu.

Aplikácia prúdovej slučky 4 - 20 mA má obrovský význam v priemyselnej automatizácii a riadení. Ako napríklad prietok vody, poloha ventilu, produkcia oleja a príslušné senzory, ktoré sú nevyhnutné pre výrobný proces, používajú komunikačné vedenie 4 - 20 mA. Ladenie a hľadanie poruchového stavu je v odbore rozhodujúcou úlohou, ktorá šetrí čas a peniaze. Presný tester prúdovej slučky 4 - 20 mA je základným nástrojom na riešenie problémov týkajúcich sa snímačov.

Obmedzenia testera prúdovej slučky 4 - 20 mA

Okruh má určité obmedzenia. Priemyselné prostredie je veľmi drsné ako laboratórne prostredie. Preto by obvod mal pozostávať z rôznych ochranných obvodov, ako je ochrana proti skratu a prepäťová ochrana na všetkých vstupoch a výstupoch, ktoré sú vhodné na použitie v priemyselnom prostredí.