Schaltungstipp

Isolierter analoger Ausgangskanal mit HART-Anschluss

17.07.13 | Autor / Redakteur: Derrick Hartmann * / Kristin Rinortner

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. (Bild: VBM-Archiv)

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

Bei der Schaltung in Bild 1 handelt es sich um einen vollständigen, komplett isolierten analogen Ausgangskanal, der sich für speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) und verteilte Steuerungssystemmodule (DSC), die Standard 4/20mA HART1-kompatible Stromausgänge und unipolare oder bipolare Ausgangsspannungsbereiche benötigen, eignet. Die Schaltung ist ein flexibler Funktionsblock für SPS/DCS-Ausgangsmodule mit galvanischer Trennung zwischen den Kanälen oder für andere Industrieanwendungen, die einen komplett isolierten Analogausgang benötigen. Darüber hinaus enthält die Schaltung einen externen Schutz der analogen Ausgänge.

Der 16 Bit D/A-Wandler AD5422 ist softwarekonfigurierbar und stellt alle erforderlichen Strom- und Spannungsausgänge zur Verfügung. Das HART-konforme IC-Modem AD5700-1 wird in Verbindung mit dem AD5422 für eine komplette HART-konforme 4/20-mA-Lösung verwendet. Der AD5700-1 enthält einen internen Präzisionsoszillator, der für zusätzliche Platzersparnis sorgt – speziell in Anwendungen mit isolierten Kanälen.

SPS/DCS-Lösungen müssen vom lokalen Systemcontroller isoliert sein, um einen Schutz gegenüber Masseschleifen zu bilden und Robustheit bei externen Ereignissen sicherzustellen. Bei herkömmlichen Lösungen kommen diskrete ICs sowohl für Power wie auch für digitale Isolation zum Einsatz. Wenn eine mehrkanalige Isolation gebraucht wird, werden die Kosten und der Platzbedarf von diskreten Power-Lösungen zu einem großen Nachteil. Lösungen mit Optokopplern haben normalerweise eine vernünftige Ausgangsregelung, brauchen aber zusätzliche externe Bauteile und somit mehr Platz auf der Leiterplatte.

Power-Module sind oft sperrig und ermöglichen nur eine mäßige Ausgangsregelung. Die Schaltung in Bild 1 nutzt die Isolatoren und Spannungsegler der Familie ADuM347x in Verbindung mit der zugehörigen isolierten Rückkopplung. Externe Transformatoren dienen zur Übertragung von Leistung über die Isolationsstrecke. Der ADuM3482 liefert die UART-Signalisolation für den AD5700-1.

Der 36-V-Abwärts-DC/DC-Regler ADP2441 akzeptiert eine 24-V-Versorgung nach Industriestandard mit großer Toleranz auf der Eingangsspannung. Er regelt diese Spannung auf 5 V herunter, um alle Controller-seitigen Schaltungen zu versorgen. Die Schaltung enthält außerdem einen externen Schutz an den 24-V-Versorgungsanschlüssen sowie einen Schutz gegenüber DC-Überspannungen von 36 bis −28 V.

Der Analogausgang

Für Industriesteuerungsmodule sind folgende analogen Standard-Ausgangsspannungs- und Strombereiche üblich: ±5 V, ±10 V, 0/+5 V, 0/+10 V, +4/20 mA und 0/20 mA. Der AD5422 ist ein komplett integrierter Präzisions-DAC mit einer Auflösung von 16 Bit. Er bietet eine programmierbare Stromquelle sowie einen programmierbaren Spannungsausgang und wurde für die Anforderungen industrieller Prozesssteuerungen entwickelt.

Der AD5422 gewährt alle oben erwähnten Ausgangsbereiche, wobei die Strom- und Ausgangspannungsbereiche an separaten Anschlüssen zur Verfügung stehen. Ein Überlastungsschutz von 10% ist an allen Spannungsbereichen verfügbar. Am Stromausgang steht ein 0/20mA-Überlastschutz zur Verfügung. Die Analogausgänge sind gegenüber Kurzschlüssen und offenen Verbindungen geschützt.

Der AD5422 verfügt über eine interne Referenz mit einer Genauigkeit von 10 ppm/°C. Für eine höhere Leistungsfähigkeit über die Temperatur nutzt diese Schaltung eine Referenz des Typs ADR02. Diese 5-V-Präzisionsreferenz ermöglicht Eingangsspannungen bis zu 36 V. Die Referenz weist eine maximale Genauigkeit von 0,05% sowie eine maximale Temperaturdrift von 3 ppm/°C auf. Diese Drift trägt mit etwa 0,02% Fehler über den industriellen Temperaturbereich bei.

Der AD5422 ermöglicht den Anschluss eines internen oder externen Präzisionswiderstandes zum Einstellen des Stromes am Stromausgangsschaltkreis. Die Schaltung nutzt die interne Strommesswiderstandsoption; falls jedoch eine höhere Genauigkeit gebraucht wird, kann ein externer Präzisionswiderstand mit 15 kΩ verwendet werden.

Indem der Anschluss DVCC SELECT des AD5422 im „Floating”-Zustand bleibt, wird eine interne 4,5-V-Stromversorgung an den DVCC-Anschluss angeschlossen. Diese wird als digitale Stromversorgung für den AD5700-1 und die Feldseite der Isolatoren verwendet. Alternativ kann der LDO-Regler mit 5V-Ausgang am ADuM3471 genutzt werden. Der LDO liefert eine genauer geregelte Spannung von 5 V; allerdings erlaubt er wegen der Maximalwerte am Reglereingangspin des ADuM3471 keine DC-Überspannungen über 20 V.

Tabelle 1 zeigt die Ausgangssteckerkonfiguration für die EVAL-CN0321-SDPZ Hardware.

HART-Kompatibilität

Der AD5700-1 wird in Verbindung mit dem AD5422 genutzt, um eine komplette HART-kompatible 4/20mA-Lösung zu erhalten. Der interne Präzisionsoszillator AD5700-1 mit 0,5% Genauigkeit bietet eine beachtliche Platzersparnis in Applikationen mit Kanal/Kanal-Isolation, bei denen andernfalls pro Kanal ein Taktoszillator erforderlich wäre. Der Oszillator wäre normalerweise größer als der AD5700-1 selbst; daher ergibt sich mit dem internen Oszillator eine beachtliche Platzersparnis.

Der Ausgang des HART-Modems wird durch C1 und C2 gedämpft und über den Anschluss CAP2 in den AD5422 AC gekoppelt. Weitere Informationen enthält die Applikationsschrift AN-1065. Die Circuit Note CN-0278 beschreibt eine alternative HART-Kopplungsmethode, die den RSET Anschluss nutzt und eine höhere Stromversorgungsunterdrückung bietet; allerdings benötigt diese Lösung einen externen Präzisionswiderstand zur Einstellung des Stromes.

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