Sul blog di Elettronica Open Source puoi leggere non solo tutti gli articoli Premium riservati agli abbonati Platinum 2.0 e inseriti nella rivista Firmware 2.0 (insieme ad articoli tecnici, progetti, approfondimenti, news, tutorial a puntate e molto altro) ma anche gli articoli della Rubrica Firmware Reload. In questa Rubrica del blog abbiamo raccolto gli articoli tecnici della vecchia rivista cartacea Firmware, che contengono argomenti e temi evergreen per Professionisti, Makers, Hobbisti e Appassionati di elettronica. Convertire con precisione un segnale in tensione compresa fra 1 e 5 V in un’uscita a corrente compresa fra 4 e 20 mA diventa un’impresa alquanto semplice utilizzando un dispositivo particolarmente adatto allo scopo.
Nonostante la scomparsa, prevista da lungo tempo, dell’anello di corrente a 4-20 mA, questa interfaccia analogica costituisce ancora il metodo più frequente di collegamento di generatori ad anello di corrente a un circuito di rilevazione. A tal fine, occorre convertire un segnale di tensione - in genere compresa fra 1 e 5 V - in un’uscita a corrente compresa fra 4 e 20 mA. Rigorosi requisiti di accuratezza impongono l’uso di costosi resistori di precisione o, per conseguire comunque gli obiettivi del progetto, di un potenziometro di regolazione per la compensazione della tolleranza nei valori di componenti meno precisi. Ma né l’una né l’altra tecnica sono ottimali nell’attuale ambiente di produzione basato su apparecchiature di test automatiche che impiegano dispositivi a montaggio superficiale: è difficile installare resistori di precisione in contenitori a montaggio superficiale, mentre i potenziometri di regolazione richiedono l’intervento dell’operatore, un requisito incompatibile con gli obiettivi di produzione.
La rete resistiva quadrupla calibrata aiuta a risolvere questi problemi in un circuito semplice, che non richiede alcuna regolazione con potenziometro, ma ciò nonostante assicura un errore totale minore dello 0,2 % (Figura 1). Il circuito utilizza due stadi amplificatori per sfruttare le caratteristiche di adattamento uniche della rete LT5400. Il primo stadio applica un’uscita compresa fra 1 e 5V, in genere ottenuta da un convertitore D/A, all’ingresso non invertente dell’amplificatore operazionale IC1A. Questa tensione fa sì che la corrente attraverso R1 sia pari esattamente a VIN/R1 attraverso il FET Q2. La stessa corrente viene fatta circolare attraverso R2, per cui la tensione al terminale inferiore di R2 è quella di 24 V dell’alimentazione di anello, meno la tensione d’ingresso. Questa parte del circuito ha tre cause principali di errore: la selezione dei valori di R1 e R2, la tensione di offset di IC1A e la corrente di dispersione di Q2. I valori esatti di R1 e R2 non sono critici, ma devono corrispondere fra di loro con esattezza. La rete LT5400A consegue questo obiettivo con un errore di ± 0,01 %. L’LT1490A presenta una tensione di offset minore di 700 μV da 0 a 70°C e che contribuisce con un errore dello 0,07 % a una tensione d’ingresso di 1 V. L’NDS7002A presenta una corrente di dispersione di 10 nA - sebbene in genere sia molto inferiore - che corrisponde a un errore di 0,001 %. Il secondo stadio mantiene la tensione su R3 uguale a quella su R2 facendo circolare la corrente attraverso Q1.
Poiché la tensione ai capi di R2 è uguale alla tensione d’ingresso, la corrente attraverso Q1 è uguale esattamente al rapporto fra la tensione d’ingresso e R3. Utilizzando uno shunt di corrente di precisione da 250 Ω per R3, la corrente segue con precisione la tensione d’ingresso. Le cause di errore per il secondo stadio sono il valore di R3, la tensione di offset di IC1R e la corrente di dispersione di Q1. Dal resistore R3 dipende direttamente la corrente di uscita, per cui il suo valore è cruciale per la precisione del circuito. Questo circuito sfrutta il frequentemente utilizzato resistore di shunt da 250 Ω per il completamento dell’anello di corrente. Il componente Riedon SF-2 nella figura ha una precisione iniziale dello 0,1 % e una bassa deriva termica.
Figura 1: Resistori selezionati consentono la conversione precisa da tensione a corrente
Come nel primo stadio, la tensione di offset contribuisce con un errore non superiore allo 0,07 %. Q1 presenta una corrente di dispersione minore di 100 nA, per cui l’errore massimo è pari allo 0,0025%. L’errore di uscita totale è inferiore a 0,2 % senza bisogno di alcuna regolazione. La causa principale di errore è comunque R3, il resistore di rilevazione della corrente. Se si usa un dispositivo di qualità più alta, come il Vishay serie PLT, si può ottenere una precisione pari allo 0,1 %. Le uscite degli anelli di corrente sono soggette a sollecitazioni considerevoli durante l’uso. I diodi D1 e D2 inseriti tra l’uscita all’anello di alimentazione a 24 V e massa aiutano a proteggere Q1, mentre R6 assicura una certa separazione, che può essere aumentata aumentando il valore della stessa R6, accettando in questo caso un compromesso su una parte della tensione da garantire all’uscita. Se la tensione di uscita massima specificata è minore di 10 V, si può aumentare il valore di R6 a 100 Ω, conseguendo ulteriore disaccoppiamento contro le sollecitazioni all’uscita. Se il progetto richiede una maggiore protezione, si può inserire all’uscita un soppressore di tensioni transitorie a scapito di una piccola perdita di precisione causata dalla corrente di dispersione. Questo progetto si avvale di due soli dei quattro resistori adattati della rete LT5400; gli altri due sono utilizzabili per altre funzioni del circuito, come un inverter di precisione o un altro convertitore da 4 a 20 mA. In alternativa, si possono inserire gli altri resistori in parallelo a R1 e R2. Questo approccio riduce il contributo di errore statistico del resistore di un fattore pari alla radice quadrata di 2.
Articolo della rivista cartacea Firmware Anno 2015 - Numero 114-115
