Convertir un signal de 1V à 5V en sortie de 4mA à 20mA

Convertirunsignalde1Và5Vensortiede4mAà20mA
Auteur:ThomasMosteller,IngénieurApplicationsdeterrain
LinearTechnologyCorp
Bienqueladisparitiondelaboucledecourant4-20mAaitétépréditedepuislongtemps,cette
interfaceanalogiqueestencorelaméthodelaplusrépanduepourconnecterdessourcesà
boucledecourantàuncircuitdedétection.Cetteinterfacenécessitelaconversiond’unsignal
detension,typiquementde1Và5V,enunesortiede4mAà20mA.Desexigencesdeprécision
strictesimposentl’utilisationderésistancesdeprécisioncoûteusesoud’unpotentiomètre
réglablepourcalibrerl’erreurdedépartdedispositifsmoinsprécisafindesatisfaireaux
objectifsdelaconception.Iln’existeaucunetechniqueoptimalepourl’environnementde
productiond’aujourd’hui,basésurdumatérieldetestautomatiquemontéensurface.Ilest
difficiledetrouverdesrésistancesdeprécisiondanslesensemblesmontésensurface,etles
potentiomètresréglablesnécessitentuneinterventionhumaine,incompatibleaveclesobjectifs
deproduction.
LeréseaudequatrerésistancesappariéesLT5400deLinearTechnology,quicontribueà
larésolutiondecesproblèmes,seprésentesousformed’unsimplecircuitquinenécessite
aucunréglagedecompensationtoutenprésentantuneerreurtotaleinférieureà0,2%(Figure
1).Lecircuitemploiedeuxétagesamplificateurspourexploiterlescaractéristiques
d’appariementuniquesduLT5400.Lepremierétageappliqueunetensiondesortiede1Và5V
(normalement,àpartird’unCNA)àl’entréenon-inverseusedel’ampliopIC1A.Cettetension
imposelavaleurducourantparl’intermédiairedeR1àVIN/R1exactementàtraversleFETQ2.Le
mêmecourantcirculedansR2,etlatensionenbasdeR2estlatensiond’alimentationdela
bouclede24Vmoinslatensiond’entrée.
Cettepartieducircuitprésentetroissourcesprincipalesd’erreur:l’appariementdeR1
etR2,latensiondedécalaged’IC1A,etlesfuitesdansQ2.LesvaleursexactesdeR1etR2nesont
pascritiques,maisellesdoiventêtreexactementlesmêmes.LaclasseduLT5400Apermet
d’atteindrecetobjectifavecuneerreurde±0,01%.LeLT1490Aprésenteunetensionde
décalageinférieureà700µVentre0°Cet70°C.Lacontributiondecettetensionestuneerreur
de0,07%àunetensiond’entréede1V.LeNDS7002Aprésenteuncourantdefuitede10nA,
bienqu’ilsoithabituellementbienendessousdecettevaleur.Cecourantdefuitereprésente
uneerreurde0,001%.
D61,FR
LedeuxièmeétagemaintientlatensionauxbornesdeR3égaleàlatensionauxbornes
deR2enfaisantcirculerlecourantdansQ1.PuisquelatensionauxbornesdeR2estégaleàla
tensiond’entrée,lecourantcirculantdansQ1,estexactementégalàlatensiond’entréedivisée
parR3.Enutilisantunshuntdecourantdeprécisionde250ΩpourR3,lecourantsuit
exactementlatensiond’entrée.
Lessourcesd’erreurdansledeuxièmeétagesontlavaleurdeR3,latensiondedécalage
deIC1R,etlecourantdefuitedeQ1.LarésistanceR3imposedirectementlecourantdesortie,
doncsavaleurestdéterminantepourlaprécisionducircuit.Cecircuitemploielarésistancede
shuntde250Ωnormalementutiliséepourfermerlaboucledecourant.LecomposantRiedon
SF-2delafigureprésenteàl’origineuneprécisionde0,1%etunedériveentempératurefaible.
Commedanslepremierétage,lacontributionàl’erreurdelatensiondedécalagen’estquede
0,07%.Q1auncourantdefuiteinférieurà100nA,cequiconduitàuneerreurmaximalede
0,0025%.
L’erreurtotaleensortieestinférieureà0,2%sansaucunajustement.Larésistancede
détectiondecourantR3estlaprincipalesourced’erreur.Enutilisantundispositifdemeilleure
qualité,parexempledelasériePLTdeVishay,ilestpossibled’atteindreuneprécisionde0,1%.
Lessortiesdeboucledecourantsontsoumisesàdescontraintesconsidérablesaucoursde
l’utilisation.LesDiodesD1etD2entrelasortieetl’alimentation24Vdelaboucleetlamasse
contribuentàlaprotectiondeQ1;R6apporteuncertainniveaud’isolation.L’isolationpeutêtre
amélioréeenaugmentantlavaleurdeR6,avecuncompromisauniveaudelatensionaccordée
ensortie.Silatensiondesortiemaximalenécessaireestinférieureà10V,ilestpossible
d’augmenterlavaleurdeR6jusqu’à100Ω,cequiisoleencoremieuxdescontraintesdela
sortie.Silaconceptionnécessiteuneprotectionrenforcée,ilestpossibled’ajouterun
suppresseurdetransitoiredetensionensortiemaisavecunepertedeprécisiondueaucourant
defuite.
LaconceptionutiliseseulementdeuxdesquatrerésistancesappariéesduLT5400.Ilest
possibled’utiliserlesdeuxautrespourd’autresfonctionsdecircuittellesqu’uninverseurde
précisionouunautreconvertisseur4-20mA.Ilestaussipossibledemettrelesautres
résistancesenparallèleavecR1etR2.Cetteapprochediminuelacontributionàl’erreur
statistiquedelarésistanced’unfacteurracinecarréededeux.
Figure1.Résistancesdeprécisionappariéespermettantuneconversionprécisedelatension
encourant.