Jste zde

Převodníky proud. smyčky XTR a použití pro měření teploty

Antonín Vojáček, 3. Únor 2005 - 11:37

Integrované obvody XTR jsou převodníky (vysílače) pro dvouvodičovou analogovou proudovou smyčku 4-20mA firmy Burr-Brown (Texas Instruments). V článku uvedené typy jsou primárně určené pro teplotní senzory jako například platinové senzory Pt100 nebo termočlánky. Velkou výhodou je možnost napájení vzdáleného senzoru přímo z proudové smyčky.

Pro přenos dat po dvouvodičové analogové proudové smyčce je hlavně nutný převodník/vysílač, který převede obvykle analogové signálové napětí nebo proud nějakého senzoru na proudový signál 4 až 20 mA vhodný pro proudovou smyčku. Několik takových to převodníků, v podobě integrovaných obvodů, je v nabídce bývalé firmy Burr-Brown, která je dnes již zcela převzata firmou Texas Instruments. Konkrétně se tento článek bude zabývat IO XTR101, XTR112/114 a XTR115/116. Společná vlastnost těchto obvodů je napájení IO i externích zařízení k nim připojených z proudové smyčky. Není tedy nutné pro vzdálenou nepřístupnou měřící jednotku zajišťovat zvláštní napájení.

Bližší informace o samotném standardu analogové proudové smyčky 4-20mA lze získat v dalším článku na HW Serveru.

XTR101

Tento integrovaný obvod je tedy dvoudrátový vysílač na analogovou proudovou smyčku. Obecně je vhodný pro zpracování a převod napětí z teplotních a tlakových senzorů. Obvod obsahuje přesný zesilovač a napěťově řízený zdroj napětí. Hodí se pro vzdálené zpracování signálů z teplotních senzorů jako například kovové odporové senzory, termočlánky, termistory apod.

Na obrázku 1. je blokové schéma vnitřní struktury XTR101. Každý vstup e1 i e2 je napojen na vstupy dvou vnitřních zesilovačů A1 a A2, které se v tomto zapojení na jeví jako jeden precizní zesilovač. Ten řídí proudový zdroj složený ze zesilovače A3 a tranzistoru Q1 ve zpětné vazbě. Výstup tohoto zdroje proudu je vyveden na výstupní pin 7, znamenající výstup do proudové smyčky. Obvod obsahuje i dva referenční zdroje proudu IREF1 a IREF2.

Funkce vstupního zesilovače je podmíněná vnitřní zpětnou vazbou. Napětí na pinu 3 se objeví i na pinu 5 a napětí na pinu 4 se objeví na pionu 6. Vnějším rezistorem je udána převodní charakteristika rozdílového napětí na vstupu (e2-e1) na proud proudové smyčky 4mA až 20 mA. Maximální vstupní rozdílové napětí může být 1V, při nekonečném zpětnovazebnímu odporu RS právě vytvoří výstupní proud 20mA. Spodní limit výstupního proudu 4mA je z části tvořen proudem z řízeného proudového zdroje (2mA) a z části referenčními zdroji proudu (2mA). Proudový rozkmit 16mA lze přepočíst na vstupní napěťový rozkmit dle vzorce (0.016 S+40/RS)*(plný rozkmit vstupního napětí) = 16 mA. 0.016 S je hodnota vodivosti daná vnitřní strukturou.

Základní parametry převodníku:

Napětový vstup:
- Vstupní offset max. 30mikroV
- Drift 0.75mikroV/°C
- Nelinearita max. 0.01%
- Vstupní odpor 400MOhmu
Napájecí napětí 11.6V až 40V
Provozní teplota -40°C až 85°C
Pouzdro 14-pin DIP

Příklad použití

Na obrázku 2. je příklad zapojení pro převod napětí termočlánku. Tak lze měřit teplotu až v rozsahu 1000°C. Například termočlánek J pro měření teploty v rozsahu 0°C až 1000°C, dává v tomto rozsahu změnu výstupního napětí 58mV. Dioda D a rezistory R5 a R6 tvoří kompenzaci studeného spoje. Rezistor R4 = 16.18 Ohmu je zde z důvodu přízpůsobení, kdy je nutné teplotu 0°C přiřadit výstupnímu proudu 4mA. Samozřejmě je nutné připojit i rezistor RS, který udává převodní charakteristiku (v obrázku není uveden). V tomto příkladu je jeho hodnota 154 Ohmu (podrobný popis výpočtu lze najít v datasheetu pro XTR101).

Obr. 1. Vnitřní zapojení obvodu XTR101 (detail)

Na obrázku 3. je příklad připojení platinového kovového teplotního senzoru Pt100 pro měření teploty v rozpětí +25°C až +150°C. Pak tedy výstupnímu proudu proudové smyčky 4mA má odpovídat 0°C a proud 20mA teplotě +150°C. Klasický Pt100 má odpor 100 Ohmu při 0°C a 200 Ohmu při 266°C. Pokud snímací proud platinového senzoru zvolíme 1mA, tak změna vstupního napětí obvodu XTR101 bude eIN = 47mV pro zadaný teplotní rozsah. Dle dříve uvedeného vzorce (viz. také obrázek 2.), lze zjistit rezistor RS = 123,3 Ohmů. Rezistor R4 opět přizpůsobuje mezní teplotu 25°C proudu 4mA. Dle podrobně popsaného výpočtu v datasheetu pro XTR101, je jeho hodnota 109,4 Ohmů. Z důvodu malých změn napětí na teplotním senzoru vůči napájení +5V lze odpor R2 opět volit 2,5kOhmů.

Obr. 2. Příklad připojení termočlánku k převodníku XTR101 (detail)

Obr. 3. Příklad připojení senzoru Pt100 k převodníku XTR101 (detail)

XTR112/XTR114

Obvody XTR112 a XTR114 jsou monolitické integrované vysílače pro proudovou analogovou smyčku 4-20mA. Jsou primárně určeny pro zpracování signálů z kovových odporových senzorů teploty (RTD), pro které obsahují nejen přesné zdroje proudu, ale i obvody pro linearizaci charakteristiky. Dále možné volit mezi dvou nebo tří-vodičovým připojením senzoru. Obvod XTR112 obsahuje dva přesné zdroje proudu 250mikroA, zatímco obvod XTR114 dva zdroje proudu 100mikroA. To je prakticky jediný rozdíl mezi těmito dvěma obvody. Samozřejmostí je napájení obvodu z proudové smyčky. Na výstupní pin 11 však je výstup tohoto zdroje vyveden a tak je možné externí měřící zařízení a obvody napájet tímto DC napětím +5.1V (viz obrázek 4.). Proto je zapotřebí minimální napájení proudové smyčky ze zdroje 7.5V.

Na napěťovém signálovém vstupu se nachází přístrojový zesilovač tvořený dvěma operačními zesilovači. Ten měří napěťový rozdíl mezi vstupy VIN+ a VIN-. Rezistor RG určuje napěťové zesílení zesilovače podle požadovaného měřeného rozsahu teplot. Přenosová funkce se pak dá vyjádřit vztahem, kde výstupní proud proudové smyčky IOUT = 4mA + VIN * (40/RG). Pin 6 Iret značí návratovou svorku proudu dodaného zdroji z obvodu. Napěťový výstup VLIN je určen pro možnost externí linearizace 2. řádu. Více podrobností naleznete v datasheetu k obvodu XTR112.

Základní parametry převodníku:

Napětový vstup:
- Vstupní offset typ. 50mikroV
- Drift 0.4mikroV/°C
- Nelinearita max. 0.003%
- Vstupní odpor 100MOhmu
Převodní vztah IOUT = VIN * ( 40 / RG ) + 4 mA
Napájecí napětí 7.5V až 36V
Provozní teplota -40°C až 85°C
Pouzdro 14-pin SO SOIC

Příklad použití

Na obrázku 5. je příklad použití a připojení obvodu XTR112 pro převod napěťového signálu ze senzoru na signál proudové smyčky. Na stejném obrázku jsou uvedeny i rovnice pro výpočet jednotlivých rezistorů zapojení (obrázek lze samozřejmě zvětšit kliknutím na obrázek).

Obr. 4. Zjednodušené schéma vnitřního zapojení obvodu XTR112/114 (detail)

Pro samotné měření teploty jsou důležité odpory RLIN a RZ. Ten první, RLIN , tvoří ve spojení se pinem Vlin přídavnou linearizaci převodní charakteristiky senzoru. Dochází tak ke zvýšení linearity až 40krát. Rezistor Rz naopak nastavuje nejnižšímu proudu proudové smyčky 4mA danou mez v měřeném rozsahu teplot. Hodnota Rz by měla být shodná s odporem senzoru pro danou mezní teplotu. Pak totiž dochází na obou odporech k stejnému úbytku napětí a nulovému rozdílu napětí na vstupu XTR112. Rezistor RCM poskytuje přidaný úbytek napětí pro vychýlení vstupu XTR112 do daného rozsahu souhlasného napětí (Common-Mode) udaného výrobcem. Ten je mezi 1.25 až 3.35V. Přemosťující kondenzátor naopak minimalizuje šum.

Obr. 5. Příklad možného připojení kovového odporového senzoru teploty (RTD) k XTR112 (detail)

XTR115/XTR116

Tyto integrované obvody jsou zdroj napětí +5V pro přímé napájení externích měřících obvodů a přesný referenční zdroj napětí 2,5V (XTR115), resp. 4,096V (XTR116).

Zajímavá je funkce vstupního pinu Iref, který kontroluje, zda nedochází k spotřebě senzorového proudu někde v externích měřících obvodech. Základním pinem je pin 2, kde proud tekoucí do pinu přímo řídí výstupní proud v analogové proudové smyčce. Celý obvod se totiž chová jako proudový zesilovač, který je uvnitř obvodu tvořen operačním zesilovačem v zapojení jako elektrometrický zesilovač proudu. Ten je obecně vždy určen pro zesilování proudů v řádu do desítek mikroA. Protože proudové zesílení obvodů je 100, tak platí převodní vztah pro výstupní proud IOUT = 100 * IIN. Protože je signálový vstup proudový, je ve většině případů nutné předřadit dostatečně velký odpor, aby se zdroj napětí (senzor) choval jako zdroj proudu. Co se týče připojení proudové smyčky, tak většina jejího proudu teče do pinu 7, který zajišťuje napájení obvodu i externích zařízení. Zbytek do kolektoru externího tranzistoru, který posiluje výstup integrovaného obvodu pro napájení smyčky až 40V. Pak by tento tranzistor měl zvládnout výkonovou ztrátu min. 0,8W (40V*20mA).

Základní parametry převodníku:

Proudový vstup:
- Vstupní proudový offset -35nA
- Drift 150 pA/°C
- Nelinearita max. 0.003%
Proudové zesílení obvodu 100
Převodní vztah IOUT = ( VIN / RIN ) * 100
Napájecí napětí +7.5V až +36V
Provozní teplota -40°C až 85°C
Pouzdro 8-pin SO

Obr. 6. Blokové schéma vnitřního zapojení obvodu XTR115 (detail)

Příklad použití

Obrázek 7. ukazuje jedno z typického použití. Zde lze měřit teplotu pomocí odporových senzorů teploty zapojených v můstku. Tento můstek je napájen právě z referenčního zdroje napětí obvodu. Vnitřní DC zdroj +5V je použit pro napájení vstupního obvodu v podobě zesilovače. Externí odpor RIN = 20kOhmů vytváří ze proudový zdroj pro proudový vstup obvodu XTR115/116. Důležité je, že všechny obvody napájené z vnitřních zdrojů napětí, musí mít zemnící svorku připojenou na pin 3. Tranzistor Q1 musí být výkonově dimenzován na napětí proudové smyčky VLOOP. Více podrobností naleznete v datasheetu k obvodu XTR115 nebo XTR16.

Obr. 7. Příklad připojení odporových senzorů teploty v můstku k XTR115 resp. XTR116 (detail)

Závěr

V tomto článku jsem se snažil upozornit na jednu z možností, jak vzdáleně provádět měření teploty s využitím pouze dvou vodičů analogové proudové smyčky. Samotný princip však lze využít i pro jiné druhy měření a senzorů, jako je například měření tlaku. Bližší informace o převodnících XTR Burr-Brown je na stránkách firmy Texas Instruments. Do české Republiky distribuci obvodů Texas Instruments provádí firma SPOERLE ELECTRONIC spol. s.r.o. .

Antonín Vojáček
vojacek@ hwg.cz