Hvordan 4-20 mA-kretsen fungerer

"Gjeldende loop" ble brukt som et dataoverføringsgrensesnitt på 1950-tallet. Til å begynne med var driftsstrømmen til grensesnittet 60 mA, og senere, fra 1962, ble 20 mA strømsløyfegrensesnittet utbredt i teletypen.

På 1980-tallet, da forskjellige sensorer, automasjonsutstyr og aktuatorer begynte å bli mye introdusert i teknologisk utstyr, begrenset grensesnittet "strømkrets" rekkevidden av driftsstrømmene - den begynte å variere fra 4 til 20 mA.

Den videre spredningen av «current loop» begynte å avta fra 1983, med bruk av RS-485 grensesnittstandarden, og i dag brukes «current loop» nesten aldri i nytt utstyr som sådan.

En strømsløyfesender skiller seg fra en RS-485-sender ved at den bruker en strømkilde i stedet for en spenningskilde.

Strømmen, i motsetning til spenningen, som beveger seg fra kilden langs kretsen, endrer ikke sin nåværende verdi avhengig av belastningsparametrene. Derfor er ikke «strømsløyfen» følsom for verken kabelmotstand, lastmotstand eller til og med induktiv støy-EMK.

I tillegg er sløyfestrømmen ikke avhengig av forsyningsspenningen til selve strømkilden, men kan kun endres på grunn av lekkasjer gjennom kabelen, som vanligvis er ubetydelige. Denne egenskapen til den nåværende syklusen bestemmer helt hvordan den skal implementeres.

Det skal bemerkes at EMF til den kapasitive pickupen brukes her parallelt med strømkilden, og skjermingen brukes til å svekke dens parasittiske effekt.

Av denne grunn er signaloverføringslinjen vanligvis et skjermet tvunnet par, som, sammen med en differensialmottaker, alene demper fellesmodus og induktiv støy.

På mottakersiden av signalet konverteres sløyfestrømmen til spenning ved hjelp av en kalibrert motstand. Og ved en strøm på 20 mA oppnås en spenning av standardserien 2,5 V; 5V; 10V; — det er nok bare å bruke en motstand med en motstand på henholdsvis 125, 250 eller 500 Ohm.

Den første og største ulempen med grensesnittet for «strømsløyfe» er dens lave hastighet, begrenset av hastigheten for lading av kapasiteten til overføringskabelen fra den ovennevnte strømkilden plassert på overføringssiden.

Så når du bruker en kabel som er 2 km lang, med en lineær kapasitans på 75 pF / m, vil kapasitansen være 150 nF, noe som betyr at det tar 38 μs å lade denne kapasitansen til 5 volt ved en strøm på 20 mA, som tilsvarer til en dataoverføringshastighet på 4,5 kbps.

Nedenfor er en grafisk avhengighet av den maksimale tilgjengelige dataoverføringshastigheten gjennom «strømsløyfen» på lengden på kabelen som brukes ved forskjellige nivåer av forvrengning (jitter) og ved forskjellige spenninger, evalueringen ble utført på samme måte som for RS-grensesnitt -485.

En annen ulempe med «strømsløyfen» er mangelen på en spesifikk standard for utformingen av kontakter og for de elektriske parameterne til kablene, noe som også begrenser den praktiske anvendelsen av dette grensesnittet. For rettferdighets skyld kan det bemerkes at de generelt aksepterte faktisk varierer fra 0 til 20 mA og fra 4 til 20 mA. Området 0 - 60 mA brukes mye sjeldnere.

De mest lovende utviklingene som krever bruk av "current loop"-grensesnittet, bruker for det meste i dag kun 4 ... 20 mA-grensesnittet, som gjør det mulig å enkelt diagnostisere et linjebrudd. I tillegg er "current loop" " kan være digital eller analog, avhengig av utviklerens krav (mer om det senere).

Den praktisk talt lave datahastigheten til enhver type «strømsløyfe» (analog eller digital) gjør at den kan brukes samtidig med flere mottakere koblet i serie, og det er ikke nødvendig med matching av lange linjer.

Analog versjon av «nåværende syklus»

Den analoge "strømsløyfen" har funnet anvendelse innen teknologi der det er nødvendig for eksempel å overføre signaler fra sensorer til kontrollere eller mellom kontrollere og aktuatorer. Her gir dagens syklus flere fordeler.

Først av alt lar variasjonsområdet for den målte verdien, når det reduseres til standardområdet, deg endre komponentene i systemet. Evnen til å overføre et signal med høy nøyaktighet (ikke mer enn + -0,05 % feil) over en betydelig avstand er også bemerkelsesverdig. Til slutt støttes den nåværende syklusstandarden av de fleste leverandører av industriell automasjon.

Strømsløyfen på 4 … 20 mA har en minimumsstrøm på 4 mA som signalreferansepunkt.Således, hvis kabelen er ødelagt, vil strømmen være null. Når du bruker en 0 … 20 mA strømsløyfe, vil det være vanskeligere å diagnostisere et kabelbrudd, da 0 mA ganske enkelt kan indikere minimumsverdien til det overførte signalet. En annen fordel med 4 ... 20 mA-området er at selv ved et nivå på 4 mA er det mulig å drive sensoren uten problemer.

Nedenfor er to analoge strømdiagrammer. I den første versjonen er strømforsyningen innebygd i senderen, mens i den andre versjonen er strømforsyningen ekstern.

Den innebygde strømforsyningen er praktisk med tanke på installasjon, og den eksterne lar deg endre parametrene avhengig av formålet og driftsforholdene til enheten som gjeldende sløyfe brukes med.

Prinsippet for drift av strømsløyfen er det samme for begge kretser. Ideelt sett har en op-amp en uendelig stor intern motstand og null strøm ved inngangene, noe som betyr at spenningen over inngangene også i utgangspunktet er null.

Dermed vil strømmen gjennom motstanden i senderen kun avhenge av verdien på inngangsspenningen og vil være lik strømmen i hele sløyfen, mens den ikke vil avhenge av belastningsmotstanden. Derfor kan mottakerens inngangsspenning lett bestemmes.

Op-amp-kretsen har fordelen av at du kan kalibrere senderen uten å måtte koble en mottakerkabel til den, siden feilen introdusert av mottakeren og kabelen er veldig liten.

Utgangsspenningen velges basert på transistorens behov for normal drift i aktiv modus, samt med betingelsen for å kompensere spenningsfallet på ledningene, selve transistoren og motstandene.

Si at motstandene er 500 ohm og kabelen er 100 ohm. Deretter, for å oppnå en strøm på 20 mA, kreves det en spenningskilde på 22 V. Den nærmeste standardspenningen velges - 24 V. Overskuddseffekten fra spenningsgrensen vil ganske enkelt bli spredt på transistoren.

Merk at begge diagrammene viser galvanisk isolasjon mellom sendertrinnet og inngangen til senderen. Dette gjøres for å unngå falsk forbindelse mellom sender og mottaker.

Som et eksempel på en sender for å bygge en analog strømsløyfe, kan vi sitere et ferdig produkt NL-4AO med fire analoge utgangskanaler for å koble en datamaskin med en aktuator ved hjelp av 4 ... 20 mA eller 0 ... 20 mA » gjeldende syklus « protokoll.

Modulen kommuniserer med datamaskinen via RS-485-protokollen. Enheten er nåværende kalibrert for å kompensere for konverteringsfeil og utfører kommandoer levert av datamaskinen. Kalibreringskoeffisientene lagres i enhetsminnet. Digitale data konverteres til analoge ved hjelp av en DAC.

Digital versjon av «nåværende syklus»

Den digitale strømsløyfen fungerer som regel i 0 ... 20 mA-modus, siden det er lettere å reprodusere det digitale signalet i denne formen. Nøyaktigheten til de logiske nivåene er ikke så viktig her, så sløyfestrømkilden kan ha en ikke veldig høy indre motstand og relativt lav nøyaktighet.

I diagrammet ovenfor, med en forsyningsspenning på 24 V, faller 0,8 V ved inngangen til mottakeren, noe som betyr at med en motstand på 1,2 kΩ vil strømmen være 20 mA. Spenningsfallet i kabelen, selv om motstanden er 10 % av den totale sløyfemotstanden, kan neglisjeres, det samme kan spenningsfallet over optokobleren.I praksis, under disse forholdene, kan senderen betraktes som en strømkilde.