Sådan fungerer 4-20 mA kredsløbet

"Nuværende loop" blev brugt som en datatransmissionsgrænseflade i 1950'erne. Først var interfacets driftsstrøm 60 mA, og senere, fra 1962, blev 20 mA strømsløjfegrænsefladen udbredt i teletypen.

I 1980'erne, da forskellige sensorer, automatiseringsudstyr og aktuatorer begyndte at blive bredt introduceret i teknologisk udstyr, indsnævrede "strømkredsløbet" grænsefladen for dets driftsstrømme - det begyndte at variere fra 4 til 20 mA.

Den yderligere udbredelse af «current loop» begyndte at aftage fra 1983, med fremkomsten af ​​RS-485-grænsefladestandarden, og i dag bliver «current loop» næsten aldrig brugt i nyt udstyr som sådan.

En strømsløjfe-transmitter adskiller sig fra en RS-485-sender ved, at den bruger en strømkilde frem for en spændingskilde.

Strømmen, i modsætning til spændingen, der bevæger sig fra kilden langs kredsløbet, ændrer ikke sin nuværende værdi afhængigt af belastningsparametrene. Derfor er "strømsløjfen" ikke følsom over for hverken kabelmodstand, belastningsmodstand eller endda induktiv støj EMF.

Desuden er sløjfestrømmen ikke afhængig af selve strømkildens forsyningsspænding, men kan kun ændre sig på grund af lækager gennem kablet, som normalt er ubetydelige. Denne egenskab ved den nuværende cyklus bestemmer fuldstændigt måderne til dens implementering.

Det skal bemærkes, at den kapacitive pickups EMF anvendes her parallelt med strømkilden, og afskærmningen bruges til at svække dens parasitiske effekt.

Af denne grund er signaltransmissionslinjen sædvanligvis et skærmet snoet par, som, i samarbejde med en differentialmodtager, alene dæmper common mode og induktiv støj.

På den modtagende side af signalet konverteres sløjfestrømmen til spænding ved hjælp af en kalibreret modstand. Og ved en strøm på 20 mA opnås en spænding af standardserien 2,5 V; 5V; 10V; — det er nok kun at bruge en modstand med en modstand på henholdsvis 125, 250 eller 500 Ohm.

Den første og største ulempe ved "strømsløjfe"-grænsefladen er dens lave hastighed, begrænset af hastigheden af ​​opladning af transmissionskablets kapacitet fra den ovennævnte strømkilde placeret på sendesiden.

Så når du bruger et kabel 2 km langt, med en lineær kapacitans på 75 pF / m, vil dets kapacitans være 150 nF, hvilket betyder, at det tager 38 μs at oplade denne kapacitans til 5 volt ved en strøm på 20 mA, hvilket svarer til til en dataoverførselshastighed på 4,5 kbps.

Nedenfor er en grafisk afhængighed af den maksimalt tilgængelige datatransmissionshastighed gennem «strømsløjfen» på længden af ​​det kabel, der anvendes ved forskellige niveauer af forvrængning (jitter) og ved forskellige spændinger, evalueringen blev udført på samme måde som for RS Interface -485.

En anden ulempe ved «strømsløjfen» er manglen på en specifik standard for design af stik og for de elektriske parametre for kablerne, hvilket også begrænser den praktiske anvendelse af denne grænseflade. Retfærdigvis kan det bemærkes, at de generelt accepterede spænder fra 0 til 20 mA og fra 4 til 20 mA. Området 0 - 60 mA bruges meget sjældnere.

De mest lovende udviklinger, der kræver brugen af ​​"current loop"-grænsefladen, bruger for det meste i dag kun 4 ... 20 mA-grænsefladen, som gør det muligt nemt at diagnosticere et linjeskift. Derudover "current loop" " kan være digital eller analog, afhængigt af udviklerens krav (mere om det senere).

Den praktisk talt lave datahastighed for enhver type «strømsløjfe» (analog eller digital) gør det muligt at bruge den samtidigt med flere serieforbundne modtagere, og der kræves ingen matchning af lange linjer.

Analog version af "aktuel cyklus"

Den analoge "strømsløjfe" har fundet anvendelse i teknologi, hvor det for eksempel er nødvendigt at sende signaler fra sensorer til regulatorer eller mellem regulatorer og aktuatorer. Her giver den nuværende cyklus flere fordele.

Først og fremmest giver variationsområdet for den målte værdi, når det er reduceret til standardområdet, dig mulighed for at ændre komponenterne i systemet. Evnen til at transmittere et signal med høj nøjagtighed (ikke mere end + -0,05% fejl) over en betydelig afstand er også bemærkelsesværdig. Endelig understøttes den nuværende cyklusstandard af de fleste industriautomationsleverandører.

4 … 20 mA strømsløjfen har en minimumstrøm på 4 mA som signalreferencepunkt.Hvis kablet er brudt, vil strømmen således være nul. Når du bruger en 0 ... 20 mA strømsløjfe, vil det være vanskeligere at diagnosticere et kabelbrud, da 0 mA blot kan angive minimumsværdien af ​​det transmitterede signal. En anden fordel ved 4 ... 20 mA rækkevidden er, at selv ved et niveau på 4 mA er det muligt at forsyne sensoren uden problemer.

Nedenfor er to analoge strømdiagrammer. I den første version er strømforsyningen indbygget i senderen, mens i den anden version er strømforsyningen ekstern.

Den indbyggede strømforsyning er praktisk med hensyn til installation, og den eksterne giver dig mulighed for at ændre dens parametre afhængigt af formålet og driftsbetingelserne for den enhed, som den aktuelle sløjfe bruges med.

Princippet for driften af ​​strømsløjfen er det samme for begge kredsløb. Ideelt set har en op-amp en uendelig stor intern modstand og nul strøm ved sine indgange, hvilket betyder, at spændingen over dens indgange også initialt er nul.

Strømmen gennem modstanden i senderen vil således kun afhænge af værdien af ​​indgangsspændingen og vil være lig med strømmen i hele sløjfen, mens den ikke vil afhænge af belastningsmodstanden. Derfor kan modtagerens indgangsspænding let bestemmes.

Op-amp kredsløbet har den fordel, at det giver dig mulighed for at kalibrere senderen uden at skulle tilslutte et modtagerkabel til den, da den fejl, som modtageren og kablet introducerer, er meget lille.

Udgangsspændingen vælges baseret på transmissionstransistorens behov for dens normale drift i aktiv tilstand samt med betingelsen for at kompensere spændingsfaldet på ledningerne, selve transistoren og modstandene.

Sig, at modstandene er 500 ohm og kablet er 100 ohm. Derefter, for at opnå en strøm på 20 mA, kræves en spændingskilde på 22 V. Den nærmeste standardspænding vælges - 24 V. Den overskydende effekt fra spændingsgrænsen vil simpelthen blive spredt på transistoren.

Bemærk, at begge diagrammer viser galvanisk isolering mellem sendertrinnet og senderens indgang. Dette gøres for at undgå enhver falsk forbindelse mellem senderen og modtageren.

Som et eksempel på en sender til opbygning af en analog strømsløjfe kan vi nævne et færdigt produkt NL-4AO med fire analoge udgangskanaler til at forbinde en computer med en aktuator ved hjælp af 4 ... 20 mA eller 0 ... 20 mA » nuværende cyklus «protokol.

Modulet kommunikerer med computeren via RS-485 protokol. Enheden er aktuelt kalibreret for at kompensere for konverteringsfejl og udfører kommandoer leveret af computeren. Kalibreringskoefficienterne gemmes i enhedens hukommelse. Digitale data konverteres til analoge ved hjælp af en DAC.

Digital version af "aktuel cyklus"

Den digitale strømsløjfe fungerer som regel i 0 ... 20 mA-tilstanden, da det er lettere at gengive det digitale signal i denne form. Nøjagtigheden af ​​de logiske niveauer er ikke så vigtig her, så sløjfestrømkilden kan have en ikke særlig høj intern modstand og relativt lav nøjagtighed.

I diagrammet ovenfor, med en forsyningsspænding på 24 V, falder 0,8 V ved indgangen på modtageren, hvilket betyder, at med en modstand på 1,2 kΩ vil strømmen være 20 mA. Spændingsfaldet i kablet, selvom dets modstand er 10 % af den samlede sløjfemodstand, kan negligeres, ligesom spændingsfaldet over optokobleren.I praksis kan senderen under disse forhold betragtes som en strømkilde.