Kaip veikia 4-20 mA grandinė

„Srovės kilpa“ buvo naudojama kaip duomenų perdavimo sąsaja šeštajame dešimtmetyje. Iš pradžių sąsajos darbinė srovė buvo 60 mA, o vėliau, nuo 1962 m., teletipe plačiai paplito 20 mA srovės kilpos sąsaja.

Devintajame dešimtmetyje, kai technologinėje įrangoje buvo pradėti plačiai diegti įvairūs jutikliai, automatikos įranga ir pavaros, „srovės grandinės“ sąsaja susiaurino jos veikimo srovių diapazoną - ji pradėjo svyruoti nuo 4 iki 20 mA.

Tolesnis „srovės kilpos“ plitimas pradėjo lėtėti nuo 1983 m., kai atsirado RS-485 sąsajos standartas, o šiandien „srovės kilpa“ beveik niekada nenaudojama naujoje įrangoje.

Srovės kilpos siųstuvas skiriasi nuo RS-485 siųstuvo tuo, kad naudoja srovės šaltinį, o ne įtampos šaltinį.

Srovė, skirtingai nei įtampa, judanti iš šaltinio palei grandinę, nekeičia savo srovės vertės priklausomai nuo apkrovos parametrų. Todėl „srovės kilpa“ nėra jautri nei kabelio varžai, nei apkrovai, nei net indukciniam triukšmui EMF.

Be to, kilpos srovė nepriklauso nuo paties srovės šaltinio maitinimo įtampos, o gali keistis tik dėl nutekėjimų per kabelį, kurie dažniausiai būna nereikšmingi. Ši dabartinio ciklo charakteristika visiškai lemia jo įgyvendinimo būdus.

Pažymėtina, kad čia lygiagrečiai su srovės šaltiniu taikomas talpinio pikapo EMF, o jo parazitiniam poveikiui susilpninti naudojamas ekranavimas.

Dėl šios priežasties signalo perdavimo linija dažniausiai yra ekranuota vytos poros, kuri, dirbdama kartu su diferencialiniu imtuvu, viena slopina bendrąjį režimą ir indukcinį triukšmą.

Signalo priėmimo pusėje kilpos srovė konvertuojama į įtampą naudojant kalibruotą rezistorių. O esant 20 mA srovei, gaunama standartinės serijos 2,5 V įtampa; 5V; 10V; — pakanka naudoti tik rezistorių, kurio varža atitinkamai 125, 250 arba 500 omų.

Pirmasis ir pagrindinis „srovės kilpos“ sąsajos trūkumas yra mažas greitis, kurį riboja perdavimo kabelio talpos įkrovimo greitis iš aukščiau nurodyto srovės šaltinio, esančio perdavimo pusėje.

Taigi, naudojant 2 km ilgio kabelį, kurio linijinė talpa yra 75 pF / m, jo ​​talpa bus 150 nF, o tai reiškia, kad norint įkrauti šią talpą iki 5 voltų, esant 20 mA srovei, reikia 38 μs. iki 4,5 kbps duomenų perdavimo spartos.

Žemiau pateikiama grafinė didžiausio turimo duomenų perdavimo spartos per „srovės kilpą“ priklausomybė nuo kabelio ilgio, naudojamo esant skirtingiems iškraipymų (drebėjimo) lygiams ir esant skirtingoms įtampoms, įvertinimas buvo atliktas taip pat, kaip ir RS sąsaja -485.

Kitas „srovės kilpos“ trūkumas yra specifinio jungčių dizaino ir kabelių elektrinių parametrų standarto nebuvimas, o tai taip pat riboja praktinį šios sąsajos taikymą. Tiesą sakant, galima pastebėti, kad iš tikrųjų visuotinai pripažinti svyruoja nuo 0 iki 20 mA ir nuo 4 iki 20 mA. 0–60 mA diapazonas naudojamas daug rečiau.

Perspektyviausi patobulinimai, kuriems reikia naudoti „srovės kilpos“ sąsają, šiandien dažniausiai naudoja tik 4 ... 20 mA sąsają, kuri leidžia lengvai diagnozuoti linijos pertrūkį. Be to, „srovės kilpa“ " gali būti skaitmeninis arba analoginis, atsižvelgiant į kūrėjo reikalavimus (daugiau apie tai vėliau).

Praktiškai maža bet kokio tipo „srovės kilpos“ (analoginė ar skaitmeninė) duomenų perdavimo sparta leidžia ją naudoti vienu metu su keliais nuosekliai sujungtais imtuvais ir nereikia derinti ilgų linijų.

Analoginė „dabartinis ciklas“ versija

Analoginė „srovės kilpa“ buvo pritaikyta technologijoje, kur reikia, pavyzdžiui, perduoti signalus iš jutiklių į valdiklius arba tarp valdiklių ir pavarų. Šiuo atveju dabartinis ciklas suteikia keletą privalumų.

Visų pirma, išmatuotos vertės kitimo diapazonas, jį sumažinus iki standartinio diapazono, leidžia keisti sistemos komponentus. Taip pat nepaprasta galimybė perduoti signalą dideliu tikslumu (ne daugiau kaip + -0,05% paklaida) dideliu atstumu. Galiausiai, dabartinį ciklo standartą palaiko dauguma pramonės automatikos pardavėjų.

4…20 mA srovės kilpos signalo atskaitos taškas yra mažiausiai 4 mA srovė.Taigi, jei laidas nutrūksta, srovė bus lygi nuliui. Naudojant 0…20 mA srovės kilpą, bus sunkiau diagnozuoti kabelio trūkį, nes 0 mA gali tiesiog nurodyti mažiausią siunčiamo signalo reikšmę. Kitas 4…20 mA diapazono privalumas yra tas, kad net esant 4 mA lygiui jutiklį galima maitinti be jokių problemų.

Žemiau yra dvi analoginės srovės diagramos. Pirmoje versijoje maitinimo šaltinis yra įmontuotas į siųstuvą, o antroje versijoje maitinimas yra išorinis.

Integruotas maitinimo šaltinis yra patogus montavimo požiūriu, o išorinis leidžia keisti jo parametrus priklausomai nuo įrenginio, su kuriuo naudojama srovės kilpa, paskirties ir veikimo sąlygų.

Srovės kilpos veikimo principas yra vienodas abiem grandinėms. Idealiu atveju operacinės sistemos stiprintuvas turi be galo didelę vidinę varžą ir nulinę srovę jo įėjimuose, o tai reiškia, kad įtampa jo įėjimuose iš pradžių taip pat yra lygi nuliui.

Taigi srovė per siųstuvo rezistorių priklausys tik nuo įėjimo įtampos vertės ir bus lygi srovei visoje kilpoje, o nuo apkrovos pasipriešinimo nepriklausys. Todėl imtuvo įėjimo įtampą galima lengvai nustatyti.

Op-amp grandinės pranašumas yra tai, kad galite kalibruoti siųstuvą neprijungdami prie jo imtuvo kabelio, nes imtuvo ir kabelio klaida yra labai maža.

Išėjimo įtampa parenkama atsižvelgiant į perdavimo tranzistoriaus poreikius normaliam jo veikimui aktyviu režimu, taip pat su sąlyga kompensuoti laidų, paties tranzistoriaus ir rezistorių įtampos kritimą.

Tarkime, kad rezistoriai yra 500 omų, o kabelis - 100 omų. Tada, norint gauti 20 mA srovę, reikalingas 22 V įtampos šaltinis. Parenkama artimiausia standartinė įtampa — 24 V. Perteklinė galia nuo įtampos ribos bus tiesiog išsklaidyta ant tranzistoriaus.

Atkreipkite dėmesį, kad abi diagramos rodo galvaninė izoliacija tarp siųstuvo pakopos ir siųstuvo įvesties. Tai daroma siekiant išvengti klaidingo ryšio tarp siųstuvo ir imtuvo.

Kaip siųstuvo pavyzdį, skirtą sukurti analoginę srovės kilpą, galime paminėti gatavą produktą NL-4AO su keturiais analoginiais išvesties kanalais, skirta kompiuteriui prijungti su pavara naudojant 4 ... 20 mA arba 0 ... 20 mA » dabartinis ciklas « protokolas.

Modulis bendrauja su kompiuteriu per RS-485 protokolą. Įrenginys yra sukalibruotas taip, kad kompensuotų konvertavimo klaidas ir vykdo kompiuterio pateiktas komandas. Kalibravimo koeficientai saugomi įrenginio atmintyje. Skaitmeniniai duomenys konvertuojami į analoginius naudojant DAC.

Skaitmeninė „dabartinio ciklo“ versija

Skaitmeninė srovės kilpa, kaip taisyklė, veikia 0 ... 20 mA režimu, nes tokia forma yra lengviau atkurti skaitmeninį signalą. Loginių lygių tikslumas čia nėra toks svarbus, todėl kilpos srovės šaltinis gali turėti ne itin didelę vidinę varžą ir santykinai mažą tikslumą.

Aukščiau pateiktoje diagramoje, kai maitinimo įtampa yra 24 V, imtuvo įvestyje nukrenta 0,8 V, o tai reiškia, kad esant 1,2 kΩ rezistorius, srovė bus 20 mA. Į įtampos kritimą kabelyje, net jei jo varža sudaro 10 % visos kilpos varžos, galima nepaisyti, kaip ir į įtampos kritimą optrone.Praktiškai tokiomis sąlygomis siųstuvas gali būti laikomas srovės šaltiniu.