校正やテストに使える 2線式ループ電流発生器を作ってみた：Design Ideas アナログ機能回路

今回は、さまざまな校正やテスト（試験）に使える、2線式ループ電流発生器の回路を紹介する。

[R Jayapal，EDN]

　2線式ループ電流発生器は、製造プロセスにおいて、制御弁やアクチュエーターなどに接続された電空変換器（I/P変換器）のテストや校正、試運転に役立つツールだ。また、プロセス信号をシミュレートすることで、分散制御システム（DCS）やプログラマブルロジックコントローラー（PLC）のアナログ入力モジュールの校正にも役立つ。

　こうした用途において、任意の電流を正確に設定するために、直線的に可変なループ電流を生成できることは有利である。以前に、米国EDNで紹介したこちらの回路アイデアは、コンパクトでいろいろと優れた点はあるものの、出力電流の式がIo=1.24/R1であるため、電流を直線的に可変にすることはできない。R1を調整して出力電流を変化させるが、R1が式の下限にあるため、結果として得られる電流の変化は直線的ではない。

　図1は、ループ電流が線形に変化する回路を示している。この回路では、ループ電流はポテンショメータRV1で設定された電圧に比例する。さらに、この電流は再校正の必要なく、最大500Ωのソース負荷またはシンク負荷を供給できる。これら2つの要件は、プロセスにおけるループ電流発生器にとって不可欠になる。

図1：この直線的に調整可能な2線式電流源では、RV1を調整して電流を設定し、LOAD1（ソース）またはLOAD2（シンク）のいずれかを接続できる［クリックで拡大］

　この回路はどのように動作するのだろうか？　まず、24V DC電源、DC電流計および負荷抵抗（例えば200Ω）をソース側またはシンク側に接続する。現場での実用例では、この部分はI/Pコンバーター、DCS、またはPLCに組み込まれている。

　U1Aの端子3には、以下の2つの電流が存在する。

（1）Ispan=Vset/R5
（2）R4を流れる電流=(Io×R6)/(R4+R6)

　U1Aはオペアンプなので、（1）の電流から（2）の電流を引くと0になる。

　Ioはループ電流だ。従って、Vset/R5 = (Io × R6) / (R4 + R6) となる。整理すると、Io = (Vset/R5) × (1 + R4/R6) となる。値を代入すると、R4/R6 = 99 だ。つまり、Io = (Vset/R5) × 100 となる。

　従って、IoはVsetに正比例し、RV1によって直線的に調整可能となる。RV1に多回転ポテンショメータを選ぶことで、スムーズかつ精密な調整ができるようになる。

　では最後に、その他の特記事項を示しておく。

• U3は5Vの直流電圧を生成する
• Q1とU1Aは、Vsetに比例してループ電流Ioを調整する
• R1とQ2は、安全上の理由からIoの電流制限を約30mAに設定する
• ループ電流は0.5〜23.5mAの範囲で設定可能であり、この用途には十分だ
• 異なる電流設定を行う場合は、前述のIoの計算式に従ってR3、R2およびR5を選定してほしい
• Q1にはヒートシンクが必要になる

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