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基于GP8102SL/GP8212SL的4-20mA两线制方案

2021-09-30 16:15 来源:客益电子 编辑:电源网

4-20mA两线制解决方案常作为信号输出接口,为了实现高精度(0.1%/0.01%)的4-20mA输出,本方案使用了DAC芯片(PAC)GP8102SL和GP8212SL,可以将PWM信号和I2C信号转换成4-20mA电流输出。

此方案有三部分电路组成,稳压电路、GP8102SL芯片、4-20mA电流采样反馈电路。稳压电路保证不同的输入电压(24V)条件下输出4-20mA电流保持稳定,输入的供电电源范围14V-32V;GP8102SL内置12BIT DAC可以将PWM信号转换成电流输出;电流采样反馈电路采集输出电流进行反馈,从而实现稳定的4-20mA电流两线制输出。

图一是传感器应用中,GP8102SL实现4-20mA输出,并且输出5V给前级MCU供电。保证整体静态功耗小于4mA。

方案特点:

供电电压范围宽:14V-32V

内置DAC高精度输出:0.1%

低温漂:50ppm/℃

微信截图_20210930161642

图一

图二是基于I2C接口DAC芯片GP8212SL的4-20mA两线制解决方案。由于其内置了15bit的DAC,其精度可以实现0.01%线性度。

微信截图_20210930161642

图二

图三是一般的设备使用的隔离型二线制4-20mA接口,前级只需要将PWM通过光耦隔离后送到后级,后级的电路直接实现4-20mA电流输出,此方案通过隔离的方式,可以确保主系统的安全,不受到后级电路所面临的各种干扰与损坏。

微信截图_20210930161642

图三

图四原理说明:

首先系统的输出总电流为I_total=I5+I6,由于R1=100Ω,R4=750KΩ,即I5是I6的7500倍,所以I6可以忽略。即输出电流就等于经过电阻R1的电流I5。而I5等于各路内部浮地电流的汇总,I5=I1+I2+I3+I4。在4-20mA调节过程中,I1、I3、I4电流基本不变,主要通过I2来调节。I2的电流最大时接近20mA,所以串接R0电阻330Ω进行散热,此电阻上最大承受的功率是0.132W,所以R0必须选择1206以上的封装,此电阻的精度要求±10%即可。

运放LM321的作用是将流过R1的电流所产生的压降放大2倍后反馈到GP8102SL的第六脚FB,进行反馈,保证闭环的稳定性。

稳压电路的作用是在内部浮地和VDD之间产生10V左右的电压,保证芯片工作在稳定的电压条件下。在24V供电条件下,作为驱动的NMOS Q1功率最大时会承受约0.24W,如果电压越高则功率越大,推荐选择SOT223以上的封装,并且NMOS的阈值选在2V~3V。

由于电阻、运放等参数上的误差,为了获得高精度的输出,一般需要单片机对PWM做4mA和20mA两点校准,经过校准后可以达到0.1%的精度。如果需要获得0.01%精度的产品,可以选择客益电子GP8212SL芯片实现,内置15bit DAC。

电容C0和C1为两个电容器,其中C0为瓷片电容,C1为电解电容。均选择22uF以上。

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图四

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