2線式のトランスミッタは電流でデータを伝送




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■問題
使用するコマンド ― .DC

小川 敦 Atsushi Ogawa

 図1は,2線式の4-20mAトランスミッタと表示器の簡易等価回路です.トランスミッタには,出力電圧5Vの3端子電源が内蔵されており,表示器から供給される電源で動作します.マイコンがセンサ・データを解析し,D-Aコンバータの出力電圧をコントロールして,IOUTの大きさを制御します.
 3端子電源の消費電流(IPW),センサとマイコンの消費電流(IMP),D-Aコンバータの消費電流(IDAC),OPアンプの消費電流(IOP)をすべて加算した値は2mAでした.ここで,D-Aコンバータの出力電圧が0VだったときのIOUTの値として近いのは(a)~(d)のどれでしょうか.


図1 2線式の4-20mAトランスミッタと表示器の簡易等価回路
D-Aコンバータの出力電圧が0VだったときのIOUTの値は?

(a)2mA (b)2.75mA (c)3.75mA (d)4mA

■ヒント

 2線式の4-20mAトランスミッタは,工場などノイズの多い環境で,センサ・データなどを伝送するときに使用されます.例えば,0℃~500℃を測定できる温度計の場合,0℃を4mAとし,500℃を20mAとして出力し,受信側で逆の換算を行います.
 2線式と3線式がありますが,2線式はトランスミッタ自体の消費電流をコントロールすることで,データを伝送します.D-Aコンバータの出力電圧が0Vだったとき,G点とB点の電圧がいくつになるか考えれば,答えが分かります.

■解答


(c)3.75mA

 図1で,OPアンプが正常に動作している場合,A点とG点の電圧は同じになります.また,D-Aコンバータの出力電圧が0Vのため,D点の電圧とG点の電圧は同じです.そのため,R3に加わる電圧はVccの5Vです.R3に流れる電流は「Vcc/R3=5/1M=5μA」になります.その電流がR2に流れるため,A点とB点の電圧差は「5μA*75k=375mV」です.A点とG点の電圧は同じなので,R1の両端電圧も375mAになります.R1に流れる電流がIOUTになるため「IOUT=375mV/100=3.75mA」となります.


■解説

●D-Aコンバータ出力が0Vのときのトランスミッタの動作
 図2は,図1の回路をさらに簡略化したものです.図2の回路を見ると,OPアンプの負電源端子がG点に接続されているため,動作が少し分かりづらいですが,ボルテージ・フォロアとして動作します.負電源端子をB点に接続すると,一般的なボルテージ・フォロアと同じ形になります.


図2 図1の回路をさらに簡略化したもの
この回路図を使用して動作を考える.

 トランジスタQ1はOPアンプの出力電流を大きくするためのものです.OPアンプはG点の電圧がA点の電圧と同じになるように,動作します.G点には,5V出力の3端子電源のGND端子が接続されているため,Vccの電圧は,G点を基準に考えたときに5Vになります.
 また,D-AコンバータもG点を基準に動作するため,D-Aコンバータ出力電圧が0Vの場合,D点とG点の電圧は同じになります.そのため,R3の両端電圧はVccと同じになり,R3に流れる電流IR3は式1で表されます.

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

 IR3の電流はすべてR2に流れます.そのため,R2に発生する電圧VR2は式2で表されます.

・・・・・・・・・・(2)

 ここで,A点の電圧とG点の電圧は同じなので,R2の両端電圧とR1の両端電圧は同じです.そのため,R1に流れる電流IR1は式3で表されます.また,R2に流れる電流は小さいため,R1に流れる電流とIOUTはほぼ等しくなります.

・・・・・・・・・・・・(3)

 式3によると,IOUTはVcc及びR1~R3で決まり,マイコン等の消費電流の項はありません.マイコン等の消費電流が変動しても,その合計が3.75mA以下の場合は,IOUTの値は一定になります.

●トランスミッタの出力電流とD-Aコンバータ出力の関係
 次にD-Aコンバータ出力が0V~5Vまで変化したときに,IOUTの大きさがどのように変化するか考えてみます.D-Aコンバータは,G点を基準に動作します.A点とG点の電圧は等しいため,R4の両端電圧はD-Aコンバータの出力電圧と等しくなります.G点を基準としたD-Aコンバータの出力電圧をVDACとすると,R4に流れる電流(IR4)は式4で表されます.

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(4)

 R4の電流はR2に流れることになります.そのため,IR2はIR3とIR4を足したものになります.式2は式5のように変わります.

・・・・・・・・・・・・・(5)

 そして,式3も式6に変わり,D-Aコンバータ出力が5Vのとき22.5mAになります.

・・・・・(6)

 このように,D-Aコンバータ出力の値を変化させることで,IOUTの値を変えることができます.

●トランスミッタの出力電流をシミュレーションする
 図3がトランスミッタの出力電流をシミュレーションするための回路図です.5V電源には,LT1521を使用しています.また,I1はマイコンなどの消費電流を表現するための電流源です.VDACは,D-Aコンバータの出力電圧を表す電圧源です.最初に,VDACの値を0Vとし「.DCコマンド」を使用して,I1の値を0~5mAまで変化させてIOUTの値がどうなるか,シミュレーションします.IOUTの値はRLに流れる電流と同じなので,I(RL)をプロットします.


図3 トランスミッタの出力電流をシミュレーションするための回路図
5V電源にはLT1521を使用,I1はマイコン等の消費電流を表現するための電流源.

 図4は,I1の値を変えたときのシミュレーション結果です.I1が3.6mA以下のときは,I(RL)の値は変化していません.3.6mAを越えると,I1が増加するのに比例して増加していきます.4-20mAトランスミッタでは,4mAが基準電流となるため,マイコン等の消費電流が4mAよりも大きいと,正常に動作しません.


図4 I1の値を変えたときのシミュレーション結果
I1が3.6mA以下のときは,I(RL)の値は変化していない.

 次に,I1の値は2mAとして,VDACの値を0V~5Vまで変化させるシミュレーションを行います.図3の回路の「.dc I1 0 5m 10u」をコメント化し「.dc VDAC 0 5 10m」を有効にします.
 図5は,VDACの値を0V~5Vまで変化させたときのシミュレーション結果です.VDACを0V~5Vに変化させると,IOUTは3.78mA~22.6mAまで変化しています.この値は式3および式6の結果とほぼ一致しています.


図5 VDACの値を0V?5Vまで変化させたときのシミュレーション結果
IOUTは3.78mA~22.6mAまで変化している.

 以上,2線式の4-20mAトランスミッタについて解説しました.図1の回路は原理図のため,実際の製品に適用する場合は,発振安定性やOPアンプの入力電圧範囲を適切なものとするなどの検討が必要です.


■データ・ファイル

解説に使用しました,LTspiceの回路をダウンロードできます.
LTspice7_037.zip

●データ・ファイル内容
4-20m_Current_LP.asc:図3の回路

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