“تهيمن الدوائر والرقائق المتكاملة الآن على الصناعة ، ومن المحتمل أن تحشو المكونات في شريحة واحدة. عندما يصبح حجم الإلكترونيات أصغر ، يتم تبديد المزيد من الحرارة في النظام وبالتالي يتم استهلاك المزيد من الطاقة. تتطلب تطبيقات التحكم الصناعي الشائعة اليوم ، مثل أجهزة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة ، والتحكم في عمليات المصنع ، وأدوات التحكم الرقمية بالكمبيوتر (CNC) ، وأجهزة الإرسال الذكية ، أشباه موصلات منخفضة الطاقة.
“
تهيمن الدوائر والرقائق المتكاملة الآن على الصناعة ، ومن المحتمل أن تحشو المكونات في شريحة واحدة. عندما يصبح حجم الإلكترونيات أصغر ، يتم تبديد المزيد من الحرارة في النظام وبالتالي يتم استهلاك المزيد من الطاقة. تتطلب تطبيقات التحكم الصناعي الشائعة اليوم ، مثل أجهزة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة ، والتحكم في عمليات المصنع ، وأدوات التحكم الرقمية بالكمبيوتر (CNC) ، وأجهزة الإرسال الذكية ، أشباه موصلات منخفضة الطاقة. في هذا الصدد ، تم تطوير عدد من بنيات التصميم لمواجهة هذا الاتجاه مع الحفاظ على انخفاض استخدام الطاقة. سيشمل ذلك أحدث محولات A / D و D / A مع تشغيل 3V / 5V بالقرب من المواصفات المثالية.
يدور هذا البرنامج التعليمي حول أجهزة الإرسال الذكية التي تستخدم محولات D / A عالية الدقة منخفضة الطاقة في النظام. تشير أجزاء من هذه المقالة أيضًا بشكل خاص إلى المستشعرات ذات الحلقات الحالية من 4 إلى 20 مللي أمبير.
المتطلبات الأساسية لأجهزة الاستشعار 4-20mA لإرسال إشارات منخفضة التردد منخفضة لمئات الياردات في بيئة تحكم صناعية صاخبة ، يُفضل التيار على الجهد لأنه ثابت على طول الكابل بالكامل في جميع الأوقات. لا ينصح بنقل الجهد لأن الجهد الكهربائي في أي نقطة يعتمد على مقاومة السلك والسعة ، والتي تختلف باختلاف طول الكابل. يسمح نقل التيار أيضًا بنقل الطاقة والإشارة في وقت واحد عبر كبل واحد من سلكين.
في نهاية خط النقل ، يقوم المقاوم الإنهاء الدقيق بتحويل تيار الحلقة إلى جهد دقيق. ينشئ هذا المقاوم (عادةً من 50 إلى 750 درجة) مقاومة الإدخال لمستقبل الحلقة الحالية. تقلل مقاومة عالية المصدر من تقلبات الجهد عبر مقاومات النهاية الناتجة عن تغيرات مقاومة الخط ، ولكنها تمتص أيضًا المزيد من EMI والتداخل الصناعي الآخر. تعمل مكثفات التجاوز الكبيرة على تقليل التقاط EMI من خلال المساعدة على تقليل مقاومة مصدر الإشارة. باختصار ، للحلقة الحالية أربع مزايا رئيسية:
الإرسال لمسافات طويلة دون خسارة السعة
كشف أجهزة الاستشعار في وضع عدم الاتصال وخطوط النقل التالفة وغيرها من الأعطال
كابل سلك 2 غير مكلف
انخفاض حساسية EMI
حلقة تيار 4-20mA يتم التحكم فيها رقميًا
تدمج أجهزة الإرسال الذكية معالجًا أو وحدة تحكم تعمل على تحويل بيانات المستشعر إلى النظام المضيف ونقلها. كما هو مبين في الشكل 1 ، تستخدم هذه الأنظمة خمس وحدات بناء عامة: محول A / D ، متحكم دقيق (µC) ، بعض ذاكرة الوصول العشوائي ، محول D / A مع مكبر صوت اختياري متكامل ، ومستشعر أو مستشعر (مزدوجات حرارية ، مقاييس الإجهاد ). المواصفات ، PT100RTD¹ ، إلخ).
عادةً ما تشتمل ADCs في أجهزة الإرسال أحادية القناة على دوائر تعويض ، بينما تشتمل ADCs في الأنظمة متعددة القنوات عادةً على مضخم تشغيل واحد أو أكثر ومضاعفات الإرسال. يمكن أن تعوض مجموعة ADC / DAC المتقدمة عن إزاحة المستشعر ، وإزاحة tempco ، وإخراج النطاق الكامل ، وإخراج النطاق الكامل tempco ، وغير الخطي. صمم مكسيم عائلة جديدة من مكيفات الإشارات الذكية الدقيقة 0.1٪ لهذه التطبيقات.
المنتجات الأولى في هذه العائلة المكونة من أربعة (MAX1450 و MAX1457) متوفرة الآن. يشمل الأعضاء المستقبليون MAX1458 ، وهو مكيف إشارة يمكن استخدامه للمعايرة الداخلية وتعويض درجة الحرارة لأجهزة الاستشعار المقاومة للضغط (عبر الزخرفة الإلكترونية باستخدام EEPROM الموجود على متن الطائرة). منتج آخر مستقبلي (MAX1460) تم تحسينه لنفس الغرض وهو مكيف إشارة متكامل للغاية ومعوض رقميًا يعتمد على معالج إشارة.
إذا كان يجب وضع المستشعر في جو قابل للانفجار ، فإن تدابير السلامة لا تتطلب حاجز عزل لمنع الحلقات الأرضية فحسب ، بل تتطلب أيضًا التشغيل “الآمن جوهريًا” ؛ هذه هي القاعدة التي تحد من طاقة المرسل إلى مستويات أقل من تلك القادرة على إنتاج تفريغ . عادة ما يكون حاجز العزل لهذه الأنظمة على جانب الطاقة. بالنسبة لأنظمة الإرسال الذكية غير الآمنة بطبيعتها ، يمكن وضع حاجز عزل بين المتحكم الدقيق (C) وبيانات المستشعر المكيفة والرقمية. يمكن نقل البيانات عبر هذا الحاجز باستخدام optocouplers للأغراض العامة مثل 6N136 أو 4N26 أو IL300.
يجب أن يتم رقمنة جهد المستشعر بدقة بواسطة محول A / D (يفضل أن يكون ذا دقة عالية) مع معايرة على اللوحة تزيل انجراف النظام والمكونات قبل أن تصل الإشارة إلى خطأ معالج التحكم. يقوم المعالج بعد ذلك بقراءة البيانات ومعالجتها ونقلها إلى حلقة تيار 4-20mA من خلال محول D / A منخفض الطاقة وعالي الدقة.
الخطوة التالية هي دائرة أكثر ذكاءً ، تسمى جهاز الإرسال الذكي (الشكل 2). تجمع أجهزة الإرسال الذكية بين إشارات المستشعر والذاكرة لتخزين معلومات جهاز الإرسال ومهارات الاتصال ثنائي الاتجاه للكمبيوتر الصغير. باستخدام محول A / D إضافي ، يمكن للنظام إنشاء بيانات حول ظروف الحلقة الحالية ، والتي يمكن تعديلها ومعايرتها بواسطة µC.
يلبي محول D / A الجديد منخفض الطاقة منخفض الطاقة من Maxim متطلبين لحلقة تيار 4C20mA قابلة للتعديل رقميًا: قدرة جهد إمداد 3V / 5V ، ومكبر داخلي قادر على التحكم في جهد البوابة لوحدة MOSFET الخارجية. الجانب السلبي الوحيد لهذا التكوين هو الحاجة إلى قيادة MOSFET ذات قناة n خارجية ، الأمر الذي يتطلب جهد إمداد أعلى. إذا لم يتم توفيرها على السبورة ، فيجب استخدام دائرة خارجية لزيادة الطاقة لتحقيق هذا الجهد.
لحسن الحظ ، تقدم معظم تطبيقات التحكم الصناعي كلاً من الفولتية العالية والمنخفضة لدعم التحكم المنطقي القابل للبرمجة 3 فولت / 5 فولت بالإضافة إلى المستشعرات (بيزو والضغط ودرجة الحرارة والتدفق) التي تتطلب جهدًا يصل إلى 36 فولت (24 فولت نموذجي). يكتسب استخدام وحدات MOSFET ذات العتبة المشتركة (التي يمكن التحكم فيها من مصدر واحد + 5 فولت) أساسًا سريعًا حيث يتكيف موردو المكونات مع متطلبات الصناعة لاستهلاك أقل للطاقة.
ختاماً
إذا تم استخدام DAC 3V / 5V مع حلقة تيار 4C20mA ، فيمكن تلبية الحاجة إلى أشباه موصلات منخفضة الطاقة. يتم تقديم جميع التصاميم الفعالة المذكورة أعلاه في هذه الورقة. يتضمن أيضًا مناقشة حول كيفية تقليل الحلقة الحالية لاستهلاك الطاقة.
The Links: LQ043T1DG28 LP150X05-C2