[RAQ] Sterowanie z pełną izolacją galwaniczną 16-bitowymi wyjściami prądowymi i napięciowymi za pomocą mikrokontrolera

Pytanie:

Jak zaprojektować izolowany 16-bitowy moduł wyjściowy sterowany przez mikrokontroler?

Odpowiedź:

Możesz użyć rozwiązania opartego o przetwornik DAC AD5422.

Czy to w budynkach, czy na halach produkcyjnych, programowalne sterowniki są dziś konieczne do regulacji różnego rodzaju procesów, maszyn i systemów. Dotyczy to programowalnych sterowników logicznych (PLC) lub modułów rozproszonego systemu sterowania (DCS), do których podłączone są urządzenia. Do sterowania procesami sterowniki PLC i moduły DCS wykorzystują zazwyczaj moduły wyjściowe z wyjściami prądowymi, wyjściami napięciowymi lub wyjściami obu typów. Przemysłowe moduły sterujące obsługują standardowe zakresy napięcia i prądu wyjściowego: ±5 V, ±10 V, 0-5 V, 0-10 V, 4-20 mA, a także 0-20 mA. Często, zwłaszcza w sektorze przemysłowym, wymagana jest także izolacja galwaniczna mikrokontrolera i wyjściowych urządzeń peryferyjnych.

Klasyczne konstrukcje modułów wyjściowych bazują na elementach dyskretnych. Przekształcają one sygnały cyfrowe z mikrokontrolera na sygnały analogowe lub posiadają różne wyjścia analogowe i zapewniają izolację galwaniczną. Jednak w porównaniu z rozwiązaniami zintegrowanymi, konstrukcje te mają wiele wad. Na przykład duża liczba komponentów powoduje dużą złożoność systemu, duży rozmiar płytki i wysokie koszty. Takie systemy charakteryzują się także skłonnością do zwarć oraz utrudnioną diagnostyką błędów.

Lepszym rozwiązaniem jest zintegrowanie jak największej liczby funkcji w pojedynczym układzie scalonym. Ma to miejsce na przykład w układzie AD5422 Analog Devices. Jest to 16-bitowy przetwornik cyfrowo-analogowy o wysokiej precyzji. Oprócz konwersji cyfrowo-analogowej, oferuje on również w pełni zintegrowane programowalne źródła prądowe i napięciowe, dzięki czemu spełnia wymagania rozwiązań sterujących procesami przemysłowymi.

Układ izolowanego sterownika wyjść oparty o AD5422

Rysunek 1 przedstawia przykładowy układ całkowicie izolowanego sterownika wyjść analogowych w module wyjściowym. Obwód ten nadaje się szczególnie do sterowników PLC i modułów DCS w rozwiązaniach sterowania procesami, które wymagają standardowych wyjść prądowych 4-20 mA i napięć wyjściowych o polaryzacji dodatniej lub polaryzacjach dodatniej i ujemnej. Przetwornik AD5422 jest tutaj używany w połączeniu z czterokanałowym modułem izolacji cyfrowej ADuM1401.

Rysunek 1. Uproszczony przykład obwodu izolowanego sterowania analogowym stopniem wyjściowym za pomocą AD5422 i ADuM1401

Wyjścia 16-bitowego przetwornika C/A AD5422 można konfigurować za pośrednictwem szeregowego interfejsu SPI. Moduł posiada również zintegrowane funkcje diagnostyczne, które mogą być przydatne w aplikacjach przemysłowych. Wymaganą izolację między mikrokontrolerem a przetwornikiem C/A zapewnia układ ADuM1401. Cztery kanały wykorzystujemy do połączenia z AD5422 przez interfejs SPI: trzy kanały (LATCH, SCLK i SDIN) przesyłają dane, a czwarty (SDO) odbiera dane.

W zastosowaniach przemysłowych należy zapewnić odporność wyjść na wysokie napięcia zakłócające. Wymagania dotyczące odporności określono w normach, takich jak IEC 61000, która określa wymagania na przykład w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej. Aby spełnić te normy, konieczne jest posiadanie na wyjściach dodatkowych zewnętrznych obwodów ochronnych. Jedną z opcji wprowadzenia tych obwodów pokazano na rysunku 2.

Rysunek 2. Obwody ochronne zgodne z normą IEC 61000 dla wyjść modułu AD5422

Możliwości układu

Wyjście prądowe (I_OUT) można programować w zakresie 4-20 mA lub 0-20 mA. Napięcie wyjściowe jest dostarczane przez oddzielny pin V_OUT, który można skonfigurować dla zakresów napięcia 0-5 V, 0-10 V, ±5 V, lub ±10 V. Zakresy te można przekroczyć maksymalnie o 10%. Oba wyjścia analogowe mają zabezpieczenia przeciwzwarciowe i przeciwrozwarciowe. Mogą też sterować obciążeniami pojemnościowymi do 1 µF i obciążeniami indukcyjnymi do 50 mH. Układ AD5422 wymaga zasilania analogowego (AV_DD) w zakresie od 10,8 V do 40 V. Wymagane może być także cyfrowe napięcie zasilania (DV_CC) w zakresie od 2,7 V do 5,5 V.

W innym wariancie, DV_CC może służyć jako pin zasilający dla innych komponentów w systemie lub punkt podłączenia rezystorów podciągających. Do tego celu wyprowadzenie DV_CC_SELECT należy pozostawić niepodłączony, a napięcie z wewnętrznego stabilizatora LDO 4,5 V należy przyłożyć do pinu DV_CC. Maksymalny dostępny prąd tego stabilizatora to 5 mA. W prezentowanym obwodzie DV_CC służy do zasilania galwanicznie odizolowanej strony układu ADuM1401.

Wyniki precyzyjnej konwersji 16-bitowego przetwornika C/A uzyskujemy przy użyciu zewnętrznego źródła napięcia odniesienia ADR4550. Jest to układ o wysokiej precyzji, małej mocy, a także niskim poziomie szumów napięcia. Zapewnia dokładność początkową rzędu 0,02%, a także bardzo dobrą stabilność temperaturową.

Przedstawiony tutaj układ pasuje m.in. do modułów wyjściowych sterowników PLC lub modułów DCS, które zapewniają zarówno wyjścia prądowe, jak i napięciowe, a także zgodność ze standardami EMC takimi jak IEC 61000.

Więcej informacji:

“AN-1519: 16-Bit, Fully Isolated Output Module Using the AD5422 Single-Chip Voltage and Current Output DAC and the ADuM1401 Digital Isolator.” Analog Devices, Inc., Luty 2018.