כיצד לתכנן מעגל מיוטב עבור מבואות של 4 עד 20 מילי-אמפר מופעלי-HART

היתרונות לעומת מעגלים מסורתיים כוללים מיקום מופחת בכרטיס ועלות פחותה
הפרוטוקול (addressable remote (transducer highway מאפשר תקשורת דיגיטלית דו-כיוונית 1.2/2.2kHz בעלת מפתוח בהיסט תדר (frequency shift keying – ) לעומת לולאות זרם אנלוגיים מסורתיים מ-4 עד 20 מילי-אמפר. דבר זה מאפשר תשאול (interrogation) של החיישן/מפעיל, ומספק יתרונות משמעותיים בתהליך ההתקנה, הניטור והתחזוקה של הציוד. HART מספק יתרונות עבור צוותי התחזוקה המשתמשים בהתקן משני נייד לתשאל את החיישן/מפעיל. אולם כדי לממש את כל היתרונות ש-HART עשוי להביא, יש לחבר את החיישן/מפעיל למערכת בקרה בעלת מבואות או מוצאים מופעלי HART.  הבה נתמקד במעגל השידור FSK של HART. איור 1 מראה את הגישה המסורתית. Rsense ממיר את אות ה-4 עד 20 מילי-אמפר לאות מ-1 עד 5 וולט שניתן לקריאה על-ידי ADC. מעגל ה-AC לשידור FSK של HART מצמיד את אותות ה-FSK של HART ±500 מילי-וולט אל הלולאה 4 עד 20 מילי-אמפר דרך C1. אותות אלה הם בעלי צורה סינוסית או טרפצית.

חוצץ טוב בעל חוזק הובלה מספיק דרוש במוצא המודם של HART מאחר ש-Rsense מייצג עכבה נמוכה ועשוי להימצא גם קיבול משמעותי בחיווט לולאת הזרם. כאשר ה-HART אינו משדר, מוצא החוצץ יציג עכבה נמוכה אל הלולאה העלולה לסכן את האיתות של 4 עד 20 מילי-אמפר. מסיבה זו המתג SW1 משמש בטור עם מוצא החוצץ כדי לספק עכבה גבוהה כאשר אין משדרים.
הלולאה 4 עד 20 מילי-אמפר יכולה לנוע בין 1 ו-5 וולט כאשר SW1 פתוח. מאחר ששינוי זה מוצמד ב-AC אל ה-SW1, המתג יכול לראות עד וולט במבוא שלו. לכן, הספקת וולט דו-קוטבי או יותר תהיה דרושה עבור המתג, או, לחלופין, ניתן להשתמש במתג אופטי. חוצץ תלת-מצבי הוא אופציה נוספת, אם כי שוב חוצץ זה ידרוש הספקות דו-קוטביות. אופציה אחרת היא להשתמש בבידוד של שנאי. בהתחשב בתדרי האותות של HART, שנאי שמע יידרש והוא עשוי להיות מגושם ויצרוך כמות גדולה של שטח הכרטיס.
איור 2 מראה תכנון של מעגל שידור HART FSK, המקטין את המיקום והעלות. במעגל זה, למודם HART AD5700 יש מספיק כוח הנהגה כדי להנהיג את אותות ה-FSK של ±500 מילי-וולט ישירות לתוך לולאת הזרם מבלי הצורך בחוצץ חיצוני. כאשר המודם אינו משדר, מוצא ה-FSK של ה-AD5700 נמצא בממתח ל-0.75 וולט עם עכבה של 70 קילו-אוהם. R2, R3 מספקים ממתח של 0.75 וולט חזק יותר, עם עכבת AC של R2||R3=1,7kΩ. המסנן מעביר הגבוהים הנוצר על-ידי ה-1.7kΩ הזה ו-C1 מבטיח שהמקרה הגרוע ביותר 4 עד 20 מילי-אמפר אות מבוא, שהוא ±16 מילי-אמפר ב-25Hz על-פני ה-Rsense של 200 אוהם, רק יגרום במוצא ה-FSK של מודמי HART להיות מונהגים בין 0 ו-1.5 וולט. דבר זה אומר שניתן להריץ את כל המבוא מספקים חד-קוטביים נמוכים עד כדי 1.62 וולט (ההספקה המזערית עבור המודם HART).
שיקול אחר הוא עכבת המבוא, שצריכה להיות גדולה מ-

230Ω. נגד המבוא של 250Ω מפולג ל-50 ו-200 אוהם כדי להבטיח עכבת מבוא גדולה מספיק. עכבת המבוא AC היא R1+ (Rsense||R2||R3)=230Ω . אם דרוש, עכבה זו ניתנת להגדלה על-ידי העלאת ערכי נגדי הממתח 0.75, R2 ו-R3. התוספת של ונתיב שידור ה-FSK תנחית את אותות ה-FSK במידה מסוימת, אולם המתחים עדיין יענו לדרישות ה-HART.
בשעה שלולאת הזרם מסתובבת, תהיה העברת זרם כלשהי דרך C1, R2, R3. יש להבטיח שדבר זה לא ישפיע משמעותית על האות האנלוגי 4 עד 20 מילי-אמפר. בהנחה ש-<0.1% הוא תרומת שגיאה מקובלת שוות-ערך לשבעה קבועי זמן (T). כך ש-7T=7*R*C*=7*(R2||R3)*C1=30 ms. האיתות האנלוגי מ-4 עד 20 מילי-אמפר מוגבל ל-25 הרץ, המתאימים למחזור של 40 מילי-שניות. מאחר וערך זה ארוך משבעה קבועי זמן, שגיאת המדידה של הזרם הנוסף תהיה תמיד <0.1%.
מעגל משופר זה (באיור 2) ביטל את הצורך בחוצץ ומתג, כמן גם הצורך בספק-כוח דו-קוטבי. שלושת גורמים אלה מספקים חסכונות משמעותיים במקום ובעלות עבור מערכת לעומת מעגל שידור HART FSK מסורתי.
המעגל עבור מבוא ה-HART FSK מוצג באיור 3, שם מסנן מעביר פס דוחה את האיתות האנלוגי בעל התדר הנמוך ומספק חסינות בפני מפריעים בעלי תדר גבוה יותר. המסנן המוצג מתוכנן במיוחד עבור ה-AD5700 ויהיה שונה עבור מודמי HART שונים. תכונה אחת של מסנן מעביר- פס זה היא עכבת המבוא של 150 קילו-אוהם המסופקת על-ידי ה-R1, המספקת רמה גבוהה עצמית של הגנה בפני אירועי מעבר.
המעגל למדידת הזרם 4 עד 20 מילי-אמפר מוצג באיור 4. הנגד Rsense המדויק בעל 200 אוהם ממיר את אותות ה-4 עד 20 מילי-אמפר לאות 0.8 עד 4 וולט שיש להמיר על-ידי ה-ADC. דבר זה נמשך על-ידי מסנן מעביר-נמוכים בעל שני קטבים R2, C1, R3, C2 כדי לדחות את אותות ה-HART FSK. אות זה מוזן לאחר מכן ל-ADC לשם המרה.
על המחברים:
Derrick Hartmann הוא מהנדס יישומי מערכת בקבוצת ה-Industrial Automation group של Analog Devices, הממוקמת ב-Wilmington, MA.
Michal Brychta הוא מהנדס יישומי צוות בכיר ממוקד באוטומציה תעשייתית.