4～20mAの電流ループレシーバーを最小の部品数で設計する方法

私は昔からGordon Ramsayのファンでした。彼は、ヘルズキッチンの不運な競技参加者が毎回生のホタテを提供するたびに、愉快な文句をつけて楽しませてくれます。しかし、本当に面白かったのは、彼がアジア料理を試みたときです。状況は一変し、彼は優れたアジア料理が、いつも作っているビーフウェリントンとは完全に異なるものであるということを、苦心の末に学んでいました。

プロセス制御: 4 ～ 20mAが最適な用途。

私は、プログラマブルロジックコントローラー（PLC）が主流である業界で、純粋なデジタル電子回路の設計に5年間を費やした後、アナログ設計に移行したとき、同様な経験をしました。私が「Ramsayのアジア料理への挑戦」を最初に体験したのは、PLC用の低コストのローカライズされたオプションとして、8ビットマイクロコントローラーを搭載した複数の4 ～ 20mA電流ループ レシーバーを使用する最初のプロジェクトに従事したときです。アナログプロセス制御の専門家にとってはごく簡単なことなのでしょうが、私は電流を、使い慣れ十分理解しているデジタル読み出し値へ変換しようとして、隅に追いやられました。

4 ～ 20mA電流ループの概略

基礎から説明すると、4 ～ 20mAは制御業界における非常に一般的な標準です。4 ～ 20mAの変換器はHVAC、製造、データセンター、またはPLCが主流であるすべての業界に見られます。この業界標準では、センサーにより測定されるパラメーターが、4mAから20mAまでの範囲の直流により表されます。

設計の仕事でずっと、純粋なデジタル電子回路を扱ってきた人なら、なぜ測定された信号を伝送するために電圧を使用しないのか? そして、なぜ0 ～ 20mAの範囲を使用しないのか? と疑問に感じるでしょう。

まず、プロセス制御と自動化は測定されたパラメーターの精度に大きく依存していることと、基板は多くの場合に電気的に過酷な環境で動作することを理解する必要があります。閉鎖されたデジタル電子回路ではうまく動作するアナログ電圧信号は、リレーやソレノイドからの電気的干渉や、長い伝送線路による電圧降下を受ける可能性があります。

オームの法則の基本に戻って

4 ～ 20mA電流ループの伝送を理解するには、基本に立ち返る必要があります。オームの法則の有名な式I = V / Rを思い出してください。センサーのケーブルを伝送されるときに電圧は低下する可能性がありますが、伝送される電流は一定に維持されます。このため、安定性と一貫性の点で、電流の方が測定パラメーターとして優れているわけです。パラメーターの下限が0mAではなく4mAである理由は、故障を検出しやすくなるためです。電流が4mA未満に低下した場合、センサーの障害、またはケーブルの破損を意味します。

部品数が最小限の、単純で効果的な4 ～ 20mA電流ループ レシーバー

私が小さな契約製造ビジネスを立ち上げる前、私は専業の電子機器設計者でした。その頃、私が電流を電圧に変換する必要があれば、私は作業を早く終わらせるため、集積回路（IC）を基礎とするソリューションを使用したでしょう。コストやアプリケーションの容易さを考慮しなくていいなら、高精度の4 ～ 20mAアンプ レシーバーを使用すれば、面倒なことを考える必要がありません。アナログ設計に不慣れな設計者にとって、これは新しい未知の世界です。信号ノイズ、干渉、GNDループを扱うことになります。特化された高精度ICは魅力的なソリューションですが、プロジェクト自体に大きなコスト増大を引き起こすことになります。

今の私は小さな企業の経営者なので、販売と生産に何が適しているかも考慮する必要があります。設計したものがうまく機能するのと同様に、コストの削減も目的としています。電流を電圧に変換するため、物事を単純にするという私の哲学に一致する最良のソリューションは、許容誤差の小さい抵抗を使用することです。最小限の4 ～ 20mAレシーバーを設計するには、ここでもオームの法則に戻り、それに加えてPCBのGNDプレーンに関する設計技術と、シグナルインテグリティーを維持する機能が必要であると気づきました。

簡単なソリューションが常に最適です

電流を測定可能な電圧に変換するには、4 ～ 30mAの電流信号を、高精度の抵抗を経由してGNDへ接続するのが簡単な方法です。250Ωの抵抗を使用した場合、20mAで5Vが読み出されます。私の場合は165Ωの抵抗を使用し、最大電圧が3.3Vに読み出されるようにします。これは、使用するマイクロコントローラーがその電圧で動作するためです。適切な抵抗の値を選択したら、抵抗をマイクロコントローラーのアナログ/デジタルコンバータ（ADC）ピンに接続するだけで、読み出し値をデジタル値に変換できます。

単一の高精度抵抗は現実のプロセス制御アプリケーションに十分か?

正直なところ、特化した高精度ICのコストの1%以下の価格である単一の高精度の抵抗で、あらゆる用途に十分なものかどうか、私は疑問に思っていました。これらのICは、センサーからの正確な読み出し値を生成するという目的のために存在しています。しかし、アナログGNDとデジタルGNDを単一点で分離された状態に維持し、アナログ信号を高速度のデータから絶縁することにより、たった1つの抵抗で信頼性の高い読み出し値を常時得ることができます。

私自身が、産業用エアードライヤーのコントローラーと、劇場の環境モニタリングシステム運用のため、複数の4 ～ 20mAレシーバーに高精度の抵抗のみを使用する、高信頼性のPCBを製造しました。追加の信号フィルタリングおよび処理については、今日のマイクロコントローラーに搭載されている強力なADCを活用します。

4 ～ 20mA電流ループ レシーバーの設計について理解したら、今度は適切なソフトウェアが必要です。CircuitStudioは、低コストでプロフェッショナルなPCBを設計するため役立ちます。

4 ～ 20mAの電流ループ レシーバーに関するご質問は、アルティウムの専門家まですぐにお問い合わせください。