Bild 1: Blockschaltung (vereinfachte Darstellung; nicht alle Verbindungen und Entkopplung sind eingezeichnet) des isolierten Ausgangskanals für SPS/DCS-Steuermodule. (Bild: VBM-Archiv)

Isolierter analoger Ausgangskanal mit HART-Anschluss

 

 

 

In diesem Schaltungstipp stellen wir Ihnen einen komplett isolierten, einkanaligen Spannungs- und 4/20-mA-Stromausgang mit HART-Konnektivität vor.

 Bild 1: Blockschaltung (vereinfachte Darstellung; nicht alle Verbindungen und Entkopplung sind eingezeichnet) des isolierten Ausgangskanals für SPS/DCS-Steuermodule. Bild 1: Blockschaltung (vereinfachte Darstellung; nicht alle Verbindungen und Entkopplung sind eingezeichnet) des isolierten Ausgangskanals für SPS/DCS-Steuermodule.

Die Schaltung in Bild 1 zeigt einen vollständigen, komplett isolierten analogen Ausgangskanal, der sich für SPSen und verteilte Steuerungssystemmodule (DSC) eignet. Die Stromausgänge sind HART1-kompatibel (4/20 mA), die Ausgangsspannungen unipolar oder bipolar. Die Schaltung ist als flexibler Funktionsblock für SPS/DCS-Ausgangsmodule mit galvanischer Trennung zwischen den Kanälen oder für andere Industrieanwendungen, die einen komplett isolierten Analogausgang benötigen, gedacht.

Der 16 Bit D/A-Wandler AD5422 lässt sich per Software konfigurieren und stellt alle erforderlichen Strom- und Spannungsausgänge zur Verfügung (±5 V; ±10 V; 0/+5 V; 0/+10 V; +4/20 mA; 0/20 mA). Ein Überlastschutz von 10% ist an allen Spannungsbereichen gegeben. Das Bauteil enthält einen internen LDO am Anschluss DVcc zur Versorgung der Niedervoltschaltung.

Die 5-V-Präzisionsreferenz ADR02 ermöglicht eine Eingangsspannung bis 36 V. Sie weist eine maximale Genauigkeit von 0,05% sowie eine maximale Temperaturdrift von 3 ppm/°C auf. Das entspricht einem Fehler von etwa 0,02% über den industriellen Temperaturbereich.

Das HART-konforme IC-Modem AD5700-1 wird in Verbindung mit dem D/A-Wandler AD5422 verwendet, um eine komplette HART-konforme 4/20mA-Lösung zu bilden. Das Modem enthält einen Präzisionsoszillator, der für zusätzliche Platzersparnis sorgt – speziell in Anwendungen mit isolierten Kanälen. Der Ausgang des HART-Modems wird durch C1 und C2 gedämpft und über den Anschluss CAP2 in den AD5422 AC eingekoppelt.

SPS/DCS-Lösungen müssen vom lokalen Systemcontroller isoliert sein, um diesen vor Masseschleifen und externen Ereignissen zu schützen. Bei herkömmlichen Lösungen kommen diskrete ICs sowohl für Spannung wie auch für digitale Isolation zum Einsatz. Wenn eine mehrkanalige Isolation benötigt wird, sind die Kosten und der Platzbedarf von diskreten Power-Lösungen ein großer Nachteil.

Die Schaltung nutzt den vierkanaligen Digitalisolator mit integrierter Leistungsregelung für eine isolierte Leistung bis zu 2 W. Ein externer Transformator wird zur Leistungsübertragung über die Isolationsstrecke verwendet. Diese wird mit einer Brücke (D1 bis D4) gleichgerichtet. Die Regelung erfolgt von der 15-V-Versorgung über das Widerstandsteilernetzwerk (R1 und R2). Die negative Versorgung wird nur „lose“ geregelt.

Der ADP2441, ein 36 V Abwärts-DC/DC-Wandler akzeptiert eine Versorgungsspannung von 24 V mit einem Eingangsspannungsbereich von 4,5 bis 36 V. Er regelt die Versorgungsspannung auf 5 V herunter, mit der alle Controller-seitigen Schaltungen gespeist werden. Das Bauteil verfügt über eine Reihe von Sicherheits-/Zuverlässigkeitsfunktionen wie UVLO (Undervoltage Lockout), eine Präzisions-enable Funktion, einen „Power Good“-Anschluss und eine Überstromschutzschaltung.

Der AD5422 enthält Schutzdioden, die ihn vor Beschädigung bei normalem Gebrauch schützen. In der industriellen Steuerungsumgebung erfolgt der Schutz vor Transienten mit Überspannungsableitern, Strombegrenzungswiderständen und Dioden. Die Leistungsfähigkeit wurde bei 25°C evaluiert und lag innerhalb der erwarteten Grenzen: –0,05% TUE (Total Unadjusted Error) und –4 LSB INL im 4/20mA-Bereich.

Den ausführlichen Tipp finden Sie im Internet.

Der Autor: Derrick Hartmann arbeitet als Applikationsingenieur in der DAC-Gruppe bei Analog Devices in Limerick / Irland.

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