Diseño de circuito optimizado para entradas de 4 mA a 20 mA habilitadas para HART

El protocolo HART (transductor remoto direccionable en carretera) permite la comunicación digital modulada bidireccional FSK (modulación por cambio de frecuencia) de 1,2 kHz/2,2 kHz a través de bucles de corriente analógicos tradicionales de 4 mA a 20 mA. Esto permite la interrogación del sensor/actuador y brinda ventajas significativas durante la instalación, el monitoreo y el mantenimiento del equipo. HART brinda beneficios a los equipos de mantenimiento que utilizan un dispositivo secundario portátil para interrogar al sensor/actuador, pero para obtener todos los beneficios que puede brindar HART, el sensor/actuador debe estar conectado a un sistema de control con entradas o salidas de corriente habilitadas para HART. Este artículo se centrará en las entradas de corriente habilitadas para HART y los desafíos asociados con agregar la funcionalidad HART a diseños de entrada de 4 mA a 20 mA que ya tienen limitaciones de espacio.

Primero, concentrémonos en el circuito de transmisión HART FSK. La Figura 1 muestra un enfoque tradicional de los circuitos de transmisión HART FSK; luego de una discusión de este circuito, mostraremos un diseño de circuito mejorado, lo que resulta en ahorro de espacio y costos.

Figura 1. Circuito de transmisión HART FSK tradicional.

En la Figura 1, Rsentido convierte la señal de 4 mA a 20 mA en una señal de 1 V a 5 V para ser leída por un ADC. El circuito de transmisión HART FSK acopla señales de CA de ±500 mV HART FSK al bucle de 4 mA a 20 mA a través de C1. Estas señales son formas de onda sinusoidales o trapezoidales. Se requiere un buen búfer con suficiente fuerza de accionamiento en la salida del módem HART como Rsentido representa una baja impedancia y también puede haber una capacitancia significativa en el cableado del bucle de corriente. Cuando el HART no está transmitiendo, la salida del búfer presentaría una baja impedancia al lazo, lo que podría comprometer la señalización de 4 mA a 20 mA. Por esta razón, el interruptor (SW1) se usa en serie con la salida del búfer para proporcionar una alta impedancia cuando no se transmite.

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El lazo de 4 mA a 20 mA puede oscilar entre 1 V y 5 V mientras SW1 está abierto. Como este cambio está acoplado en CA a SW1, el interruptor podría ver hasta ±4 V en su entrada. Por esta razón, se requeriría un suministro bipolar de ±5 V o más para el interruptor, o alternativamente se podría usar un interruptor óptico. Un búfer de tres estados es otra opción, aunque nuevamente este búfer requeriría suministros bipolares. Otra opción es utilizar el aislamiento del transformador. Dadas las frecuencias de la señal HART, sería necesario un transformador de audio, que probablemente sea voluminoso y consuma una gran cantidad de espacio en la placa.

La Figura 2 muestra un diseño de circuito de transmisión HART FSK mejorado, que tiene beneficios en términos de espacio y costo reducidos. En este circuito, el El módem HART AD5700 tiene suficiente potencia de accionamiento para conducir las señales FSK de ±500 mV directamente al bucle de corriente sin necesidad de un búfer externo.

Figura 2. Circuito de transmisión HART FSK mejorado.

Cuando el módem no está transmitiendo, la salida FSK del AD5700 está polarizada a 0,75 V con una impedancia de 70 kΩ. R2 y R3 proporcionan una polarización más fuerte de 0,75 V, con una impedancia de CA de R2 y R3 = 1,7 kΩ. El filtro de paso alto formado por este 1,7 kΩ y C1 garantiza que la señal de entrada de 4 mA a 20 mA en el peor de los casos, que es de ±16 mA a 25 Hz en los 200 Ω Rsentidosolo da como resultado que la salida FSK de los módems HART se lleve a entre 0 V y 1,5 V. Esto significa que toda la entrada se puede ejecutar desde suministros unipolares tan bajos como 1,62 V, siendo 1,62 V el suministro mínimo para el módem HART.

Otra consideración es la impedancia de entrada, que debe ser superior a 230 Ω. Para garantizar una impedancia de entrada lo suficientemente grande, la resistencia de entrada de 250 Ω se ha dividido en 50 Ω y 200 Ω. La impedancia de entrada de CA es R1 + (Rsentido || R2 || R3) ≈ 230 Ω. Si es necesario, esta impedancia se puede aumentar aumentando los valores de las resistencias de polarización de 0,75, R2 y R3. Los 50 Ω adicionales en la ruta de transmisión FSK atenuarán un poco las señales FSK, pero los voltajes seguirán cumpliendo con los requisitos de la especificación HART.

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A medida que el bucle de corriente oscila, habrá algo de flujo de corriente a través de C1, R2 y R3. Uno debe asegurarse de que esto no afecte significativamente la señal analógica de 4 mA a 20 mA. Considerar < 0,1 % como una contribución de error aceptable equivale a 7 constantes de tiempo (τ). Entonces 7τ = 7 × R × C = 7 × (R2 || R3) × C1 = 30 ms. La señalización analógica de 4 mA a 20 mA está limitada a 25 Hz, lo que corresponde a un período de 40 ms. Como esto es más largo que 7 constantes de tiempo, esto significa que el error de medición de corriente adicional siempre será < 0,1%.

Este circuito mejorado (que se muestra en la Figura 2) eliminó la necesidad de un búfer y un interruptor, así como también eliminó la necesidad de una fuente de alimentación bipolar. Estos tres factores brindan ahorros significativos de espacio y costos para un sistema en comparación con los circuitos de transmisión HART FSK tradicionales.

El circuito para la entrada HART FSK se muestra en la Figura 3. Esto proporciona un filtro de paso de banda para rechazar la señalización analógica de baja frecuencia, así como proporcionar inmunidad contra interferencias de frecuencia más alta. El filtro que se muestra está diseñado específicamente para el AD5700 y variará para diferentes módems HART. Una característica de este filtro de paso de banda es la impedancia de entrada de 150 kΩ proporcionada por R1, que brinda un alto nivel inherente de protección contra eventos transitorios.

Figura 3. Entrada HART FSK.

El circuito para la medición de corriente de 4 mA a 20 mA se muestra en la Figura 4. El R de precisión de 200 Ωsentido La resistencia convierte las señales de 4 mA a 20 mA en una señal de 0,8 V a 4 V para ser convertida por el ADC. A esto le sigue un filtro de paso bajo de doble polo R2, C1, R3, C2 para rechazar las señales HART FSK. Esta señal luego se envía a un ADC para su conversión.

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Figura 4. Circuito de medición de corriente.

El circuito descrito en este artículo ha sido construido y probado y está disponible como circuito de referencia para una entrada de voltaje y corriente de cuatro canales de PLC/DCS con compatibilidad HART—CN0364. El circuito descrito en este artículo está completamente implementado en esta placa, con la adición de que la placa también admite la multiplexación de HART entre los cuatro canales de entrada. Para probar los canales relevantes, el interruptor de transmisión FSK se puede dejar abierto o cerrado; cuando se deja abierto, el circuito sería idéntico al de la Figura 2. La documentación para este diseño de referencia está disponible gratuitamente en www.analog.com/CN0364, y el hardware también está disponible para su compra.

Este artículo describe cómo implementar hardware para una entrada analógica habilitada para HART. También ha mostrado un circuito de transmisión HART FSK mejorado utilizando el módem HART AD5700. Este circuito mejorado elimina la necesidad de búferes o interruptores externos, lo que ahorra espacio y costo en la placa. También elimina la necesidad de suministros bipolares, lo que ahorra espacio, costos y complejidad en el suministro de energía.

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