Доброго времени суток!

Надеюсь вопрос достаточно простой и распространённый, с которым сталкивались многие.
Есть проблема сопряжения аналогового входа 4-20 мА с АЦП микроконтроллера.
Схема, по идее, должна обеспечивать защиту входа АЦП от перенапряжений и высокочастотных помех.
Схем, готовых сразу к промышленному использованию не нашёл.

Может кто даст советы, ссылки или может готовые решения данной задачи?

P.S. Желательно, на легкодоступных компонентах без специфических и дорогих микрохем.

Заранее спасибо за ответ!

Вопрос у вас специфичный. Есть оптоизолированные усилители. В интернет магазинах легкодостоваемые. Стоят они как 2 бутылки водки, дорого это
или нет решать вам.

от токосъемного резистора делитель на какой-нибудь OPA376. Только про защиту не забыть например от замыкания в шлейфе - это когда на токосъемном резисторе, обычно низкоомном, вдруг оказывается от 8 до 30 вольт...

Я использую решение довольно специфическое, "заточенное" под АЦП ADS1015. У него встроенный усилитель, поэтому в качестве шунта использую резисторы 10 Ом. Соответственно, в рабочем режиме напряжение на шунте не превышает 200 мВ, что недостаточно для отпирания кремниевого перехода. Вот это обстоятельство я и обыгрываю: от шунта идет отвод через резистор 100 Ом, к второму концу резистора подключен кондер 100 нФ на землю и встречно-параллельно включенные диоды с малой утечкой (сборка BAV199), тоже на землю. От этой точки - еще один резистор 100 Ом на вход АЦП.

Например, цепь из предохранителя/резистора, ограничителя, и источника тока на NMOS и резисторе датчика (эталоне). Ограничитель берётся с низкой утечкой, т.е. номинал более 10 В. Затвор NMOS должен быть блокирован относительно общего конденсатором. В общем случае его можно просто пассивно зафиксировать на определённом уровне, потому что напряжение стока ограничено номиналом ограничителя, а среди 20-вольтовых NMOS достаточен выбор с низким порогом. Если нужных для затвора напряжений в приборе нет, то альтернативное решение — обеднённый ПТ.

http://www.avagotech.com/docs/AV02-0886EN

в этом даташите есть на стр. 15 то что вам надо?

Что-то я ничего не понял. А для чего источник тока? Зачем на ПТ?


Вряд ли это такой уж распространённый компонент. Да и автор не просил изолированного решения.

Речь видимо идет об ограничении напряжения на шунте и дополнительном ограничителе тока.

Предлагаю простой вариант с защитой шунта. Может быть по ситуации подойдет.
Шунт можно взять "побольше и потолще", например 200 Ом. До шунта ставится самовостанавливающийся предохранитель миллиампер на 50.
Если предполагать питание цепи тока от источника 24В, то максимальный ток в цепи тока при замыкании датчика будет ограничен на уровне примерно 0,1А. 2 Вт конечно достаточно большая мощность для шунта, но через некоторое время сработает предохранитель. Сопротивление шунта немного уплывет после такой прожарки, но цепь останется целой.
После шунта RC-фильтр и прочее.
С ограничителем тока намного лучше, но для многоканальных устройств получится пообъемнее.
В общем зависит от требований к реализации.

Делается обыкновенный источник тока — на заведомо более 20 мА, т.е. предела интерфейса. При номинальном токе в цепи транзистор открыт, при превышении — переходит в линейный режим.

Про ПТ непонятный вопрос. Вносимой током утечки затвора погрешностью можно пренебречь, а если сделать его на биполярном, то дополнительно понадобится измерять ток базы и вычитать его из тока эмиттера.

может тогда для защиты просто шунт, если на нем больше 0,6В падает, то открываем транзистор сливаем "лишний" ток в обход остальной схемы, конечно, если вместо 20мА может на вход прийти 1А и сотни вольт, то защита должна быть посложнее, чем резисторо-транзисторная.

от перенапряжения (относительно чего перенапряжения?) спасают супрессоры, далее преобразователь ток напряжение на ОУ, RC фильтр и диоды на питание АЦП перед самым его входом, вот вход АЦП обвязан...
ну смотря от каких помех еще защититься есть желание...сложность защиты и фильтров возрастет, можно и к схеме с гальваноразвязкой постепенно прийти...
от каких помех собираетесь спасаться?

Я всё равно не понял, уж извините. Если источник тока только для ограничения при к.з. в линии, то зачем его делать прецизионным?

Предлагаю еще один вариант - ограничитель тока. Обычному датчику требуется питание от 8 до 30 вольт. Можно выдавать это питание через ограничитель. Если входов несколько то ограничитель должен ограничивать по суммарному току - количество входов умноженное на 20 миллиампер. Еще полезно этот суммарный ток мерить. Если вытекает столько сколько суммарно втекает по входам то порядок. Если вытекает больше чем намерено - значит где то утечка в шлейфе, если вытекает меньше чем намеряно - значит что-то снаружи пролезает. Каждый шунт надо рассчитать чтобы от суммарного разрешенного тока не сгорел. Можно параллельно резистору поставить сапрессор, чтобы если шлейф замкнется то на сапрессоре все выпало и ограничитель сразу отключил. Ну и не забыть триггерную защиту в ограничитель, чтоб независимо от мозгов выключил...

Давайте согласуем. Выше было сказано, что во входной цепи, т.е. от плюса к общему проводу, четыре детали — предохранитель, ограничитель, транзистор и резистор. Последние две образуют источник тока.

Если резистор, например, такой, то например транзистор SI3460DV при фиксации затвора на уровне 3,3 В ограничит ток через него на уровне от приблизительно 23 мА при –55°C до 25 мА при +85°C. Как видите, ничего прецизионного в таком диапазоне нет.

Вроде этого? Я Вас правильно понимаю?
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
На уровне 25 мА должно работать.

Нет. Выше было повторено, что деталей четыре. У Вас три.


Нет. Выше также было повторено, что затвор должен быть зафиксирован. Пририсуйте к схеме три ёмкости ПТ, подайте на неё прямоугольник 20 В и анализируйте результат, сопоставляя его с указанным в разделе "ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS" из бумаги на TL431.

Помоделировать пока негде . Но попозже я постараюсь проверить.
Импульс напряжения или тока надо оценивать?
Меня смущает в предложенной вами схеме два момента:
1. что при при прогнозируемом токе ограничения 23 мА на 100 Омах будет 2,3 В, а затвор Вы предлагаете зафиксировать на уровне 3,3 В.
выходит что ограничение тока будет достигнуто при напряжении затвор-исток равным 1 В. Я сомневаюсь, что ограничение тока при таком напряжении будет происходить на уровне 23 мА.
2. как схема с зафиксированным напряжением на затворе компенсирует разброс порогового напряжения транзистора.

А Вас не сильно затруднит иллюстрация Ваших мыслей картинкой? С пояснением, для чего, всё-таки, на приёмном устройстве источник тока. А то мы тут какие-то ребусы разгадываем... Вы перечислили детали, но их назначение осталось неясным.

+100

Источник тока не годится. При перенапряжении он ограничит ток и сработает не предохранитель, а транзистор вместо него.

Лучше это + термистор, который сработает раньше, чем сгорит шунт:

и диодную пару перетащить к шунту и печатный радиатор сделать чтобы термистор раньше нагрелся чем BAV.

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

При номинальном (4...20 мА) токе в цепи ограничитель закрыт, транзистор открыт.

Далеее рассматривается перегрузка в виде растущего во входной цепи тока.

При возрастании этого тока до порядка 25 мА транзистор переходит в линейный режим и стабилизирует ток через опорное сопротивление на этом (т.е. 25 мА) уровне.

Следовательно, напряжение на опорном сопротивлении расти перестаёт и начинает расти напряжение на переходе сток-исток транзистора.

При достижении им порога ограничителя он открывается.

Следовательно, напряжение на нём расти перестаёт и начинает расти ток через него.

При достижении им уровня срабатывания предохранителя тот разрывает цепь.

Таким образом:

1) рассеиваемая опорным сопротивлением мощность остаётся в его паспортных пределах;

2) на входе АЦП исключаются перенапряжения;

3) вносимая токами утечки ограничителя и транзистора погрешность максимально минимизирована;

Схема построена на "Low level FET" с низким пороговым напряжением. Работать в принципе будет.
Ограничитель в схеме необходим для защиты транзистора, т.к. такие "низкопороговые" транзисторы имеют небольшое допустимое напряжение сток-исток, как правило до 20В. Соответственно требование к ограничителю напряжения - напряжение от 10 до 18В, и не выше.
В датащите, приведенного выше, в качестве примера транзистора указано лишь минимальное значение порогового напряжения - 0,45 В. Если просмотреть описания аналогов, то окажется, что типовое значение порогового напряжения 0,7-0,75 В, а максимальное напряжение порога вообще не указывается. Можно предположить, что оно может достигать 0,9-1 В. Добавим к этому температурные отклонения этого напряжения хотя бы на уровне 0,2 В.
Все это выливается в разброс тока ограничения как минимум в 10мА. В принципе это приемлимо, лишь бы защита не срабатывала в некоторых случаях при токах рабочего диапазона петли.
При выборе ограничителя напряжения надо будет тоже все взвесить хорошенько.
При использовании самовосстанавливающегося предохранителя нужен мощный стабилитрон (скорее всего с мощностью 1 Вт), но у них как правило обратный ток не менее 5мкА. К примеру (для оценки допустимых утечек) - при допустимой основной погрешности устройства 0,1%, значение допустимой утечки, приведенное к значению 20 мА будет равно 20 мкА (если считать, что далее в схеме все идеально) .
При плавкой вставке можно использовать ограничительный диод, имеющий обратный ток не более 1 мкА, но появляется вопрос замены предохранителя и т.п. Работа ограничительного диода совместно с самовостанавливающимся предохранителем возможна, но максимальная постоянно допустимая мощность рассеивания для ограничительного диода не должна быть превышена.


В тему можно добавить и специализированные решения, например MAX14626, FP0100 (Supertex). Существуют и специальные ограничительные диоды со стабилизацией тока - данные о них я правда не сохранил. Значение диапазона тока ограничения у этих диодов, увы имеет достаточно большой разброс.
Здесь есть вариант решения от TI

Там в наличии исключающие любое гадание исчерпывающие графики.

Вот еще графики - BSH103 (NXP), PMV30UN.
Прошу обратить внимание на значения порогового напряжения в табличках и на графиках - "Fig.8 Transfer characteristic; typical values." в первом примере и "Fig 6. Transfer characteristics: drain current as a function of gate-source voltage; typical values." во втором.

Тем не менее в общем идея с ограничителем тока мне тоже нравится, но с ним есть еще один небольшой недостаток. При отключенном устройстве контур токовой петли обрывается. При пассивном сигнале это означает, что датчик тоже отключается. В некоторых случаях это недопустимо.

Нормально замкнутую цепь дают упоминавшиеся выше обеднённые ПТ.

Спасибо, теперь понятно. Назначение ПТ в схеме, если я правильно понимаю - увеличить разность между максимальным напряжением на резисторе и напряжением ограничителя.
А каким образом осуществляется настройка схемы на упомянутые 25мА?
Мне представляется всё же, что увеличенная (даже вдвое) мощность шунта и последовательный резистор на вход АЦП - дешевле и надёжнее.

Я нигде не называю ограничитель стабилитроном, ни опорное сопротивление шунтом — верный способ не забыть стоимость и класс изделия.

Стоимость опорного сопротивления я указал выше. Но если от этого интерфейса нужно разрядов пять-шесть, тогда конечно, его вполне можно называть шунтом.

И разница рассеиваемой при перегрузке мощности между 2,5 В и 12 В никак не два, а 23 раза — бесспорно, очень надёжное решение моментом превратить 15 долларов в труху.

Назвать можно хоть горшком, Вы же знаете... А для измерения тока "опорное сопротивление" принято называть шунтом, и это не снижает количество разрядов...
А зачем ограничитель на 12В? Можно и на 5, если максимум шкалы - 2.5В. Тогда паспортная мощность не будет превышена.

Про принципиальную важность вольтажа ограничителя Вы же сами сказали, что поняли это, сообщением выше.

При 5 В ток утечки у такого ограничителя 0,8 мА, напряжение при 10 мА порядка 7 В, так что рассеиваемая опорным сопротивлением мощность будет 0,5 Вт.

Про принципиальную важность я ничего не говорил. И до сих пор не вижу, почему ограничитель должен быть на 12В, скажем. И о каком "таком" ограничителе мы говорим?

О котором сообщением выше предложили Вы, т.е. номиналом 5 В.

Просто прочтите любую бумагу на любую такую деталь — т.е. типа SMBJ и т.п. — там вполне красноречивый столбец токов утечки, без вариантов.

Plain, а если бы транзистор имел напряжение сток-исток на уровне 50-60В, то ограничитель напряжения все равно бы присутствовал в вашей схеме?

Читайте внимательнее:


т.е. при 25 мА просто откроется встроенный в ПТ ограничитель и ток через него и опорное сопротивление не остановится, а продолжит расти до бесконечности (предположив, что в предлагаемой концепции предохранитель уж тем более не предусмотрен).

Я стараюсь . Правда! Без ехидства и иронии. Но ход наших рассуждений видимо прилично различается.
Поэтому прошу не думать плохого.

Почему так? Я снова перечитал ваше более раннее объяснение работы схемы


Вот же началось уже ограничение тока, далее просто начинает расти напряжение на полевике и оно может расти вплоть до напряжения источника питания петли.
И как бы не нужны ни TVS, ни предохранитель. Полевой транзистор просто ограничивает ток своей тушкой.
Для наглядности: напряжение Uип=24В. На "опорном сопротивлении" падает 2,5В , остальное на MOSFETе.
"Опорное сопротивление" равно 100 Ом, ток ограничения пусть 25 мА.
Полевой транзистор греет воздух мощностью порядка 0,54 Вт.
Значит полевик должен быть как минимум в корпусе SOT223 (или около того)
Получается, что никакой предохранитель цепь не разрывает цепь. Никакой ограничитель не нужен.
И

Есть серийное изделие где есть ограничитель тока на транзисторе (срабатывает по Uбэ), но немножко по другому организовано - по "+" питания (датчик питается из устройства). Самовостанавливающийся предохранитель там есть, на 50 мА , но он всегда нервно курит в сторонке, потому что до него черед никогда не доходит при пассивном датчике.

Потому что источник тока не имеет предела по напряжению. Практически любой симулятор при размыкании такого элемента покажет Вам как минимум гигавольты.

Ещё раз. При превышении током порога линейного режима ПТ, т.е. 25 мА в данном случае, напряжение на нём прямоугольно вырастает до напряжения пробоя его внутреннего ограничителя (т.е. предложенных Вами 50-60 В, или любых других киловольт), и тот просто открывается, т.е. этот последовательный элемент и так, и эдак, но всегда открыт, и никак не может ограничивать ток в цепи, кроме выгорания от ОБР.


Решение ошибочное, потому что основано на предположении отсутствия "третьих лиц", т.е. что в цепи будет только один "свой" ток. Вход интерфейса выгорит от первого же чиха.

В симуляторе возможно, но в жизни анализируется в общем то тривиальная ситуация (которая редко-редко да случается) - закорачивание датчика с выходом 4-20 мА. У такого датчика всегда есть источник питания. И поскольку датчик закорочен, то моделируется не какой-то гипотетический источник нарастающего тока, а всего лишь ситуация когда источник питания датчика подключен сразу на "опорное сопротивление".


В реальности такого не происходит, несмотря на длинные линии связи, размещенные по кабельным эстакадам площадочных объектов. 1 датчик - 1 вход + поканальная гальваническая развязка. Статистика имеется по нескольким тысячам устройств.

А в вашем устройстве в реальности какие предохранители используются? Плавкие?

В моей реальности сверхвысокооплачиваемые и сверху донизу сертифицированные эксплуататоры периодически подают на входы электросеть, вряд ли такая статистика кому-то что-то скажет.

Это не такая уж редкость. Мы тоже с подобным сталкивались. Не во всех случаях но часто подходит простое объяснение. Если контроллер с токовым входом стоит на приличном удалении от места установки датчика, то провода от датчиков, как правило, лежат в одних и тех же кабельных каналах вместе с силовыми. Если провода от датчиков лежат в отдельном металлорукаве (заземленном) то проблем нет. А если все вместе одним жгутом, переплетенные как витая пара, то при включении например двигателя насоса все датчики вздрагивают (судя по показаниям). Что при этом наводится, одному богу известно..

Я тоже не про колхозников.
Изделие, про которое я говорил выше, сертифицируется уже в третий раз как искробезопасная цепь.
Соответственно для таких цепей 250В на входе - нонсенс.
Защится от всего увы не представляется возможным.
Когда есть возможность всегда интересуюсь решениями в импортных аналогах, но в большинстве случаев черезчур фатальные ситуации, такие как ~230В на вход игнорируются. Видел модули аналогового ввода в ПЛК (Allen-Bradley, Schneider Electric, SCADAPack) и модули измерительных преобразователей. Включая высокопроизводительные ПЛК (если ценовой вопрос для Вас так важен).

Но Вы ничего так и не сказали про предохранитель.
При вашем принципиальном подходе и вере симулятору вы должны последовательно соответствовать в вашей схемотехнике.
Т.е. инженерный подход требует при допустимости высоковольтных импульсов на входе (гигавольты, как Вы писали выше) в вашей защитной схеме выполнения несколько обязательных пунктов:

1. Ограничить ток в цепи до значения отключающей способности предохранителя, ну к примеру 35А.
Только это позволить гарантировать , что предохранитель всегда сможет отключить сверхток в данной цепи.
Выполнение данного требования правда увеличит последовательное сопротивление линии и ограничит напряжение питания датчика.
2. Использовать предохранитель, который сможет выдержать перенапряжение.
Самый неприятный момент при этом заключается в том, что самовостанавливающихся предохранителей с рабочим напряжением выше 250В нет (уж не знаю насколько актуальны эти мои представления, не отслеживаю специально этот момент).
Почему то вспомнилось про предохранитель из микроволновки .

Предохранители обычно плавкие и дорогие, поэтому когда можно, последовательно с ними ставим на порядок дешевле PTC, но относительно недавно я занимался лишь датчиками, а ответными частями вообще относительно давно, поэтому информация немного устаревшая.

Касательно симуляторов — Вы меня не поняли. Я их применяю в единичных случаях, а для повседневных дел хватает настольного калькулятора. Гигавольты упомянуты лишь как способ обратить внимание на сомнительное допущение.

От электросети на входах защита должна главное не позволить пожар, остальное мелочи.

В общем повторю, предлагаемое решение является способом получить долговременную стабильность и приемлемые утечки элементов защиты.

Смотря для какого рабочего тока. Вот 600 V 170 mA

Тоже интересовался схемотехникой входа 4-20мА...
Спросил на сахаре...

http://caxapa.ru/475792.html

А вот резистор для этого ещё поискать... Выше предлагали (Сообщение #14 в этой ветке)... 1 штука стоит 15 долларов... встречал чип резисторы от VISHAY серию P... 5 долларов за штуку... ужас...
Самое трудное в этом, что никто не привезёт 10-ток штук...
Есть у кого пример применения точного резистора для этих целей? Может быть не выпендриваться и поставить какой-нибудь выводной? Но какой и где покупать?

Взять манганиновую проволоку. Чуть длиннее или чуть короче, чем нужно. Параллельно или последовательно добавить 1% резистор. Только нужно иметь точный измеритель и калькулятор. Или учесть эту константу индивидуально в контроллере.
Не стоит клеить сюда даташиты. На худой конец - ссылку.

В данном случае важнее, не точность этого сопротивления (его сопротивление можно измерить точно и ввести в параметр прибора, или сделать калибровку по двум точкам 4 и 20мА). Важнее ТКС, что в вашем случае будет на уровне худшего из сопротивлений в паре. У 1% резисторов стандартно 100PPM на градус... а нужно не более 25PPM на градус...
Скорее всего стоимость точных резисторов определяется параметром ТКС.

Вот и ОВЕН со своими ТРМами поставляет внешний резистор сопротивлением 50 (+-0.025) Ом. Про ТКС скромно умалчивают.

Насчёт двух ПДФок в моём посте. Вдруг у меня исчезла кнопка EDIT, и я не смог удалить второй даташит, который появился из-за тормозов у вас на сайте. Я подумал, что не прошло, и ещё раз прикрепил файл даташита.
И потом, искать ссылку на этот ПДФ дольше, чем его воткнуть в сообщение, раз он у меня уже скачан.

Какие Вы знаете сплавы с меньшим ТКС, чем у манганина (кроме константана)? А калибровка у Вас с какой точностью реализуется? Вы вот можете так стабилизировать ток, чтобы увидеть ТКС у манганина?
1% резистор должен давать примерно процентный вклад. Поэтому его температурный коэффициент (влияния) уменьшится в 100 раз.
А по поводу файлов, то в Вашем случае их не нужно было клеить совсем. Кому они тут нужны на местном диске?
Бездумное замусоривание его не приветствуется.

http://electricalschool.info/main/electror...j-rezistor.html

Спасибо, Tanya, ознакомился, но я не собираюсь заниматься изготовлением резисторов...

Ну почему же — вот, от 1 шт. и меньше доллара:

http://www.digikey.com/product-detail/en/R...00WCT-ND/600852

по ссылке индуктор...

Извините, исправлено.

Спасибо.

Ну, и за обслуживание/доставку ещё долларов 50 возьмут...



Если изготавливать не собираетесь и покупать - дорого, то альтернатива только одна: попросить в подарок.