Rzadko zadawane pytania: zabezpieczenia antyprzepięciowe termometrów RTD

Pytanie: Czy jest możliwe zaprojektowanie kompletnego modułu do pomiaru temperatury, opartego o RTD, który wyposażony będzie w zabezpieczenie antyprzepięciowe?

Odpowiedź: RTD, czyli popularny termistor, może dostarczyć do ustroju pomiarowego doskonałej stabilności, wysokiej precyzji, a także pozwolić na zmniejszenie problemów z szumem czy zakłóceniami. Sensory tego rodzaju mogą być podłączone do układu z pomocą dwóch, trzech lub czterech przewodów, zależnie od dokładnie wybranego rodzaju pomiaru. Termistor podłączyć można jedną z trzech metod: dwuprzewodową, trójprzewodową lub czteroprzewodową.

Do działania, system tego rodzaju, potrzebuje źródło wzbudzenia. W układach takich jak AD7124-4 i AD7124-8 zaimplementowano dwa precyzyjnie dobrane do siebie źródła prądowe, a ponadto wzmacniacz o regulowanym wzmocnieniu (PGA), bufor dla napięcia odniesienia oraz specjalny system do diagnostyki układu. Dzięki temu moduły te idealnie nadają się do konstrukcji niezawodnych systemów pomiarowych z termistorami.

Niepoprawne podłączenie czy instalacja, albo kable z uszkodzoną izolacją – to częste przyczyny przepięć na wejściu urządzeń elektronicznych, stosowanych w systemach automatyki przemysłowej. Tego rodzaju zjawiska powodować mogą niepoprawne działanie systemów pomiarowych, lub nawet ich uszkodzenie. Ochrona przed tego rodzaju efektami jest szczególnie krytyczne w przypadku systemów do pomiaru temperatury, opartych o termistory (RTD). Muszą one być wyposażone w systemy antyprzepięciowe, które zabezpieczają ich wejście nie tylko przed impulsami wysokiego napięcia, ale także przed sytuacją, gdy podwyższone napięcie występują na wejściu pomiarowym układu dłużej.

W poniższym artykule skupimy się na stworzeniu kompletnego systemu do pomiaru temperatury z pomocą termistora (RTD). Moduł oparty będzie o układ scalony AD7124. Pozwala on nie tylko na podłączenie termistora, ale także uzupełnienie systemu o zabezpieczenie antyprzepięciowę i wykrywanie multiplekserów i ochronników kanału pomiarowego. Poniższy artykuł pomóc może w dobraniu odpowiedniego układu do projektowanego przez nas systemu pomiaru temperatury z wykorzystaniem RTD.

Jeśli chodzi o zabezpieczenie przed zbyt wysokim napięciem mamy do wyboru trzy niezależne rozwiązania:

1. Wykorzystanie szeregowych rezystorów, w liniach wejściowych ADC, co łatwo pozwala na zabezpieczenie AD7124. Oporniki tego rodzaju powinny znaleźć się na wejściu analogowym układu oraz wyjściach wzbudzenia, jednakże ich wartość jest ograniczona, a to z kolei ogranicza zakres napięć, przed którymi chroniony jest układ.
2. Ochrona źródeł prądowych z wykorzystaniem elementów dyskretnych jest jedną z możliwości ochrony źródła prądowego w układzie przed skutkami przyłożenia zbyt wysokiego napięcia na to wejście. Tego rodzaju rozwiązanie może pozwolić na osiągnięcie wysokiego napięcia zabezpieczenia, jednakże nadal jest to rozwiązanie o ograniczonych parametrach stosowania, jakkolwiek ciężar ochrony przechodzi o tanie elementy dyskretne wokół głównego, scalonego serca modułu.
3. Wykorzystanie scalonych przełączników i/lub multiplekserów z detekcją przepięcia lub dedykowanych ochronników kanałów analogowych, jakie oferuje np. Analog Devices. Tego rodzaju rozwiązania mogą być wykorzystywane z termistorami podłączonymi w różnej topologii do układu. Układy te oferuję zabezpieczenie przed napięciem do ±55 V w stanie zasilanym jak i po odłączeniu modułu od zasilania. W takim elemencie zaimplementowany jest szereg funkcjonalności: detekcja awarii, zabezpieczenie przed zatrzaśnięciem itp. Finalnie, pamiętać należy, iż układy te zajmują na PCB istotnie mniej miejsca niż klasyczne rozwiązania.

Moduł termistorowy na AD7124

Na rysunku 1 pokazano typową topologię czteroprzewodową, wykorzystaną do dołączenia termistora do układu pomiarowego. Wykorzystanie tego, w połączeniu z tzw. Pomiarem ratiometrycznym, pozwala na wyeliminowanie błędów pomiarowych związanych z niedokładnością czy dryftem źródła prądowego. Zaprezentowany układ pomiarowy oparty jest o scalony front-end analogowy AD7124-8.



Pin AIN0 dostarcza prądu wzbudzenia. W układzie AD7124 wbudowano bufor napięcia odniesienia oraz wzmacniacz o regulowanym wzmocnieniu (PGA). Wejścia REFIN oraz AIN charakteryzują się wysoką impedancją, więc taki sam prąd, jaki płynie przez termistor, płynie także przez opornik odniesienia w systemie.

Wynik digitalizacji na przetworniku analogowo-cyfrowym w tym układzie, jest stosunkiem napięcia wejściowego (VRFTD) oraz i napięcia odniesienia (VREF), co równe jest stosunkowi rezystancji termistora RRTD oraz opornika odniesienia RREF, która jest doskonale i precyzyjnie znana, a sam element wykorzystany do pomiaru wykazuje si e niezwykłą stabilnością. W ten sposób wartość RRTD może być dokładnie obliczona z wyniku konwersji ADC i wartości RREF.

Przy wykorzystaniu czteroprzewodowej topologii podłączenia możliwe jest uzyskanie wysokiej niezawodności i precyzji układu, dzięki wyeliminowaniu z pomiaru rezystancji doprowadzeni. Niestety, koszt tego rozwiązania jest istotnie droższy niż w przypadku podłączenia termistora z wykorzystaniem trzech czy nawet dwóch linii. Na rysunku 2 pokazano w jaki sposób do AD7124 podłączyć można termistor z pomocą trzech linii, z jednej strony optymalizując koszty systemu, a z drugiej zachowując część zysków parametrów metody czteroprzewodowej.



Niezwykle pomocne w realizacji trójprzewodowego podłączenia RTD są dwa, precyzyjnie sparowane ze sobą źródła prądowe, jakie zintegrowane są w omawianym układzie. W takiej sytuacji napięcia VREF oraz VRTD opisać można następującymi równaniami:

$$V_{ref} = (I_{exc0} + I_{exc1}) \times R_{ref}$$ (1)
$$V_{RTD} = I_{exc0} \times R_{RTD} + I{exc0} \times R_{L1} - I_{ext1} \times R_{L1}$$ (2)

Jako, że źródła prądowe w AD7124 są ze sobą sparowane, to prąd IEXC0 jest niemalże równy IEXC1 i tak samo jest z opornikami RL1 oraz RL2 – ich rezystancje są w układzie równe. W takiej sytuacji równania (1) oraz (2) możemy zapisać jako:

$$V_{RTD} = I_{ext0} \times R_{RTD}$$ (3)
$$V_{ref} = 2 \times I_{exc0} \times R_{ref}$$ (4)

A wartość mierzoną przez przetwornik ADC, jako z stosunek tych dwóch funkcji:

$$\frac {1 LSB} {FS} = frac {V_{RTD}} {V_{ref}} = \frac {R_{RTD}} {2 \times V_{ref}}$$ (5)

Zgodnie z tym wzorem, wartość rezystancji RTD może być obliczona z wyniku digitalizacji na ADC oraz wartości rezystancji rezystora odniesienia. Więcej detali znaleźć możemy w nocie aplikacyjnej CN-0383

Dla pomiaru dwuprzewodowego błąd pomiaru rezystancji nie może być usunięty, ale koszt tego rodzaju termistorów jest istotnie niższy niż innych. Układ AD7124-8 może być skonfigurowany do pracy z takimi RTD, jak pokazano na rysunku 3.



W praktyce, większość modułów przemysłowych musi mieć wejścia dostosowane do podłączania termistorów pomiarowych różną liczbą przewodów, aby system był w miarę uniwersalny. Jest to bardzo wygodne dla finalnego użytkownika systemu, gdyż pozwala na bieżąco balansować koszt i parametry w systemie. Na rysunku 4 pokazano tego rodzaju uniwersalny interfejs dla RTD, do którego podłączyć można termistor na wiele sposobów.



Z uwagi na konieczność zachowania takiej elastyczności, oprogramowanie modułu musi być w stanie z łatwością wykrywać jak podłączono termistor i dostosowywać działanie systemu do obecnej konfiguracji. na rysunku 5 zaprezentowano schemat blokowy dla rożnych topologii podłączenia RTD do jednego układu AD7124-8 poprzez zewnętrzne przełączniki. Opisywany układ jest w stanie współpracować z termistorami podpiętymi z pomocą czterech, trzech lub dwóch przewodów.



Wykorzystujac mikrokontroler w systemie można przełączać znajdujące się w systemie przełączniki. W poniższej tabeli zebrano ustawienia przełączników i źródeł prądowych dla różnych konfiguracji.



Dobranie odpowiedniego opornika i kondensatora do systemu wpływa na parametry szumowe front-endu. W tym artykule znajdziemy szerszy opis jak to zrobić. Jeśli jednakże, oprócz optymalizacji poziomu szumu w układzie, chcemy zabezpieczyć wejście przed przepięciami, to dodatkowe wymagania z tego wynikające mogą już poważnie utrudnić obór elementów.

Po pierwsze, musimy pamiętać, że niektóre piny AD7124 są bezpośrednio wystawione na zewnątrz modułu. Zgodnie z danymi z karty katalogowej, w temperaturze 25°C, napięcie pomiędzy wejściowymi pinami analogowymi a AVSS musi być w zakresie od − 0,3 V do AVDD+0,3 V, co oznacza, że układ sam z siebie nie może poradzić sobie z nadmiernym napięciem. musimy pamiętać także o przełącznikach, one także narażone są na nadmierne napięcie w momencie przepięcia na wejściu do modułu.

Dodawanie rezystorów ograniczających prąd

Łatwym sposobem na zabezpieczenie AD7124 jest dodanie rezystorów ograniczających prąd wejściowy na pinach układu. Na rysunku 6 pokazano architekturę wejściową omawianego układu.



Na wejściu, w układzie AD7124-8 znajdują się dwie diody zabezpieczające na każdy pin analgoowy. Można je wykorzystać do zabezpieczenia układu, bez wprowadzania dodatkowych elementów, któe zwiększyłyby prąd upływu tych linii sygnałowych.

Na rysunku 7 pokazano przykładowy schemat systemu z dodanymi rezystorami ograniczającymi prąd wejściowy - R1-R4. Zabezpieczają one niezależnie piny AIN1, AIN2, REF+ praz REF-. Układ taki pozwala jednocześnie na zminimalizowanie poziomu szumu wejściowego. Aby dodatkowo zabezpieczyć pozostałe wejścia, analogiczne oporniki dodać możemy na wejściach AIN0 oraz AIN3 układu, które także wystawione są na zewnątrz modułu.



Dodane oporniki, wraz z wewnętrznymi diodami zabezpieczającymi, pozwalają na zapewnienie pewnego poziomu ochrony układowi w przypadku wystąpienia napięcie poniżej lub powyżej dopuszczalnego zakresu. W przypadku przekroczenia napięcia wejściowego od góry/od dołu, prąd popłynie przez opornik wejściowy i diodę zabezpieczającą, do linii, odpowiednio, AVDD lub AVSS. Prąd musi być ograniczony do wartości nie większej niż 10 mA, jak możemy przeczytać w karcie katalogowej AD7124 w tabeli maksymalnych parametrów układu. Jeżeli jako opornik ograniczający prąd zastosujemy rezystor 3 kΩ, to da nam to zabezpieczenia przed napięciem do ±30 V.

Jednakże, wartość rezystora ograniczająego prąd nie może być dowolna. Ponieważ na oporniku występować będzie spadek napięcia przez cały czas pracy układu. Jeśli skonfigurujemy układ do pracy z prądem wzbudzenia na poziomie 500 μA, to spadek napięcia na takim jak powyżej oporniku wyniesie 1,5 V. Przełoży się to na ograniczenie rezystancji RREF i termistora, jakie możemy podłączyć.

Zwiększanie wartości rezystancji RLIMIT jest dobrym sposobem na zabezpieczenie układu przed wyższym napięciem, ale jednocześnie ogranicza zakres mierzalnych rezystancji termistora/RREF.

Oprócz analogowych pinów układu, także przełączniki są narażone na przepięcia. Jeśli wybraliśmy opornik RLIMIT o wartości 3 kΩ, to przelączniki powinny być w stanie wytrzymać takie same napięcie, dlatego też dobrać musimy układy zdolne do pracy z napięciem do ±30 V. W tej aplikacji doskonale sprawdzają się fotoprzekaźniki lub przekaźniki mechaniczne, jednakże wysoka cena i dosyć duże obudowy tych elementów ograniczają tutaj naszą dowolność podczas projektowania systemu.

Wykorzystanie dyskretnych tranzystorów do ochrony źródła prądowego

Największą słabością wykorzystania oporników do zabezpieczenia przed nadmiernym napięciem jest niski poziom ochrony, zwłaszcza na pinie SOURCE+. Wykorzystanie dyskretnych tranzystorów i diod zapewni wyższy poziom ochrony i zwiększa maksymalne napięcie, jakie przyłożyć można do wejścia SOURCE+ w porównaniu z wykorzystaniem samych tylko rezystorów ograniczających prąd. Na rysunku 8 pokazano tego rodzaju układ.



Wykorzystanie tej architektury pozwala w normalnej sytuacji na niezakłócony przepływ prądu wzbudzenia do termistora, przy jednoczesnym zabezpieczeniu wyjścia układu w momencie przepięcia. Inne piny analogowe mogą zabezpieczone być nadal samym tylko rezystorem, gdyż w ich przypadku napięcie nie jest aż tak dużym problemem.

Jeśli do termistora przyłożone zostanie wysokie napięcie, to dioda D1 przekierowuje je do masy. Jeżeli przyłożone zostanie napięcie ujemne, to złącze PN w tranzystorze Q1 (pomiędzy kolektorem a bazą) jesy spolaryzowane zaporowo, co sprawia, że na oporniku RB1 i tym złączu, wystąpi duży spadek napięcia, co zapewni ochronę przed uszkodzeniem wejścia AIN0.

W czasie normalnej pracy dioda D2 spolaryzowana jest zaporowo, dzięki czemu płynie przez nią pomijalnie mały prąd. Podobnie jest z prądem płynącym z emitera do bazy Q1, tak więcej spadek napięcia na oporniku RB1 jest oinuhakbt.

Zastosowanie takiego rozwiązania pozwala zapewnić dużo wyższe napięcie zabezpieczenia niż w przypadku wykorzystania samych tylko oporników ograniczających prąd.

Wykorzystanie analogowych multiplekserów i przełączników z budowaną ochroną antyprzepięciową

Słabością wykorzystania elementów dyskretnych do ochrony modułu do pomiary temperatury jest, co może nie być początkowo oczywiste, problematyczność z doborem odpowiednich wartości i typów elementów. Dodatkowo, taki system ochrony zajmuje dużo miejsca na płytce i jest dosyć skomplikowany.

Nawet pomimo faktu, że prąd upływu pinów analogowych w AD7124 jest niewielki, to wstawienie opornika o dużej rezystancji na te piny (jak R1 lub R2) powoduje powstawanie zauważalnego błędu pomiarowego. Dodatkowo, szum cieplny tych oporników powoduje dalsze obniżenie precyzji pomiaru, a w konsekwencji zmniejszenie jego rozdzielczości.

Dodatkowym problemem jest fakt, że przy wykorzystaniu układu w systemie wielokanałowym, gdzie wykorzystany jest multiplekser do komutowania termistorów, opornik w torze sygnałowym może istotnie zwiększać czas stabilizacji sygnału po przełączeniu kanału z uwagi na wpływ formującego się układu RC na działanie źródła prądowego w układzie. Ciężko jest w ten sposób osiągnąć odpowiedni kompromis pomiędzy ochroną układu a precyzją i szybkością pomiaru. Dodatkowo, same przełączniki analogowe także muszą być jakoś zabezpieczone przed nadmiernym napięciem na wejściu.

W takiej sytuacji dobrze jest zastosować tego rodzaju przełączniki czy multipleksery, które same z siebie zapewniają ochronę przed przepięciami. Przykład takiego rozwiązania pokazano na schemacie na rysunku 9.



Na rysunku 9 widzimy trzy przełączniki SPDR zrealizowane z pomoca układów ADG5243F przed AD7124 oraz dwa potencjometry cyfrowe ADG5462F na wejściach AIN1 oraz AIN2. Elementy te posiadają wbudowane systemy detekcji i ochrony przed przepięciami.

Główne cechy tych układów to:

* Piny zasilania strony pierwotnej są zabezpieczone przed napięciem wyższym niż napięcie zasilania strony wtórnej, od –55 V do +55 V.
* Piny zasilania zabezpieczone są przed w/w napięciami nawet, gdy układ nie jest zasilany.
* Układ posiada system detekcji przepięcia, które sygnalizowane jest wyjściem cyfrowym po stronie wtórnej.
* System odporny jest na zatrzaśnięcie się w niepożądanym stanie.
* Układ zoptymalizowany jest pod kątem niskiego poboru prądu na wejściu sygnałowym i niskiej pojemności w stanie włączonym
* ADG5243F może działać z symetrycznym zasilaniem od ±5 V do ±22 V lub z pojedynczym źródłem zasilania od 8 V do 44 V.

Dzieki odporności na zatrzaśnięcie się, niskiemu prądowi upływu oraz niemalże płaskiej charakterystyce rezystancji w stanie włączonym, prezentowane układu idealnie nadają się do zastosowania w module do pomiaru temperatury, Niska rezystancja i upływ przełącznika pozwalają na poprawę dokładności i zmniejszenie poziomu szumów w mierzonym sygnale.

Jeżeli do interfejsu dla termistora zostanie przyłożone napięcie dodatnie lub ujemne, napięcie na drenach zostanie zredukowane do POSFV + VT lub NEGFV - VT. Jeśli POSFV jest ustawione na 4,5 V, a NEGFV jest ustawione na AGND, to wartość szeregowego opornika ograniczającego prąd na wejściu układu AD7124, jest znacznie łatwiejsza do wybrania. Jeżeli przepięcie wystąpi w stanie niezasilonym, przełączniki pozostają w stanie wysokiej impedancji i zapobiegają uszkodzeniu części.

Funkcja detekcji awarii obecna w tych ukłądach, może być wykorzystana do diagnostyki systemu. Napięcia na wejściach ADG5243F i ADG5462F są stale monitorowane. Aktywny niski cyfrowy pin wyjściowy, FF, wskazuje stan przełączników. Napięcie na wyjściu FF wskazuje, czy na którymś z pinów wejściowych wystąpiło przepięcie. AD7124 oferuje wiele funkcji diagnostycznych dla bezpieczeństwa systemu. Procesor może łączyć funkcje diagnostyczne obu tych części, co pozwala na zbudowanie znacznie bardziej niezawodnego systemu.

Podsumowanie

Bloki funkcjonalne i funkcje diagnostyczne, zintegrowane w układzie AD7124, poprawiają jego dokładność i niezawodność. Wykorzystując ten układ można zabezpieczyć moduł RTD przed przepięciami na trzy sposoby, wykorzystując do tego przełączniki analogowe lub multipleksery. Implementacja tego rodzaju zabezpieczenia ma wiele zalet:

* Dzięki niej RTD przeżywa bez uszkodzenia wyższe napięcie.
* Dzięki zastosowaniu opisanych powyżej sposobów zabezpieczenia układu, redukujemy tak ze prąd upływu, szum sygnałowy jak i czas stabilizacji pomiaru.
* Eliminując tradycyjnie stosowane przekaźniki czy optoizolatory, redukujemy wielkość PCB i zmniejszamy koszt systemu.
* Dzięki implementacji funkcji diagnostycznych poprawiamy poziom niezawodności systemu.
* Wykorzystując opisany sterownik, tworzymy prostszy w stosowaniu system pomiarowy.

Źródło: http://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/raq-issue-157.html