Bagaimana litar 4-20 mA berfungsi

"Gelung semasa" digunakan sebagai antara muka penghantaran data pada tahun 1950-an. Pada mulanya, arus operasi antara muka ialah 60 mA, dan kemudian, bermula pada tahun 1962, antara muka gelung arus 20 mA menjadi meluas dalam teletaip.

Pada tahun 1980-an, apabila pelbagai penderia, peralatan automasi dan penggerak mula diperkenalkan secara meluas dalam peralatan teknologi, antara muka "litar semasa" mengecilkan julat arus operasinya - ia mula berubah dari 4 hingga 20 mA.

Penyebaran selanjutnya «gelung semasa» mula perlahan dari tahun 1983, dengan kemunculan standard antara muka RS-485, dan hari ini «gelung semasa» hampir tidak pernah digunakan dalam peralatan baru seperti itu.

Pemancar gelung semasa berbeza daripada pemancar RS-485 kerana ia menggunakan sumber arus dan bukannya sumber voltan.

Arus, tidak seperti voltan, bergerak dari sumber sepanjang litar, tidak mengubah nilai semasa bergantung pada parameter beban. Oleh itu, «gelung semasa» tidak sensitif sama ada kepada rintangan kabel, rintangan beban, mahupun bunyi induktif EMF.

Di samping itu, arus gelung tidak bergantung kepada voltan bekalan sumber arus itu sendiri, tetapi hanya boleh berubah disebabkan oleh kebocoran melalui kabel, yang biasanya tidak penting. Ciri kitaran semasa ini sepenuhnya menentukan cara pelaksanaannya.

Perlu diingatkan bahawa EMF pikap kapasitif digunakan di sini selari dengan sumber semasa, dan perisai digunakan untuk melemahkan kesan parasitnya.

Atas sebab ini, talian penghantaran isyarat biasanya merupakan pasangan terpiuh terlindung, yang, bekerja bersama-sama dengan penerima pembezaan, sahaja melemahkan mod biasa dan hingar induktif.

Pada bahagian penerima isyarat, arus gelung ditukar kepada voltan menggunakan perintang yang ditentukur. Dan pada arus 20 mA, voltan siri standard 2.5 V diperolehi; 5V; 10V; — cukup hanya menggunakan perintang dengan rintangan masing-masing 125, 250 atau 500 Ohm.

Kelemahan pertama dan utama antara muka «gelung semasa» ialah kelajuannya yang rendah, dihadkan oleh kelajuan mengecas kapasiti kabel penghantaran dari sumber arus yang disebutkan di atas yang terletak di bahagian pemancar.

Oleh itu, apabila menggunakan kabel sepanjang 2 km, dengan kapasitansi linear 75 pF / m, kapasitansinya akan menjadi 150 nF, yang bermaksud bahawa ia mengambil masa 38 μs untuk mengecas kapasitansi ini kepada 5 volt pada arus 20 mA, yang sepadan. kepada kadar pemindahan data 4.5 kbps.

Di bawah adalah pergantungan grafik kadar penghantaran data maksimum yang tersedia melalui «gelung semasa» pada panjang kabel yang digunakan pada tahap herotan (jitter) yang berbeza dan pada voltan yang berbeza, penilaian telah dijalankan dengan cara yang sama seperti untuk Antara Muka RS -485.

Satu lagi kelemahan "gelung semasa" ialah kekurangan piawaian khusus untuk reka bentuk penyambung dan untuk parameter elektrik kabel, yang juga mengehadkan aplikasi praktikal antara muka ini. Dalam keadilan, boleh diperhatikan bahawa sebenarnya, yang diterima umum berkisar antara 0 hingga 20 mA dan dari 4 hingga 20 mA. Julat 0 — 60 mA digunakan dengan lebih jarang.

Perkembangan paling menjanjikan yang memerlukan penggunaan antara muka "gelung semasa", kebanyakannya hari ini hanya menggunakan antara muka 4 ... 20 mA, yang memungkinkan untuk mendiagnosis pemisah talian dengan mudah. ​​Di samping itu, "gelung semasa " boleh menjadi digital atau analog, bergantung pada keperluan pembangun (lebih lanjut mengenainya kemudian).

Kadar data yang boleh dikatakan rendah untuk sebarang jenis «gelung semasa» (analog atau digital) membolehkan ia digunakan serentak dengan beberapa penerima yang disambungkan secara bersiri, dan tiada padanan garisan panjang diperlukan.

Versi analog «kitaran semasa»

"Gelung semasa" analog telah menemui aplikasi dalam teknologi di mana ia perlu, sebagai contoh, untuk menghantar isyarat daripada penderia kepada pengawal atau antara pengawal dan penggerak. Di sini, kitaran semasa memberikan beberapa kelebihan.

Pertama sekali, julat variasi nilai yang diukur, apabila ia dikurangkan kepada julat standard, membolehkan anda menukar komponen sistem. Keupayaan untuk menghantar isyarat dengan ketepatan yang tinggi (tidak lebih daripada + -0.05% ralat) pada jarak yang jauh juga luar biasa. Akhir sekali, standard kitaran semasa disokong oleh kebanyakan vendor automasi industri.

Gelung arus 4 … 20 mA mempunyai arus minimum 4 mA sebagai titik rujukan isyarat.Oleh itu, jika kabel putus, arus akan menjadi sifar. Semasa menggunakan gelung arus 0 … 20 mA, ia akan menjadi lebih sukar untuk mendiagnosis putus kabel, kerana 0 mA mungkin hanya menunjukkan nilai minimum isyarat yang dihantar. Satu lagi kelebihan julat 4 … 20 mA ialah walaupun pada tahap 4 mA adalah mungkin untuk menghidupkan sensor tanpa sebarang masalah.

Di bawah ialah dua rajah arus analog. Dalam versi pertama, bekalan kuasa dibina ke dalam pemancar, manakala dalam versi kedua, bekalan kuasa adalah luaran.

Bekalan kuasa terbina dalam mudah dari segi pemasangan, dan yang luaran membolehkan anda menukar parameternya bergantung pada tujuan dan keadaan operasi peranti yang menggunakan gelung semasa.

Prinsip operasi gelung semasa adalah sama untuk kedua-dua litar. Sebaik-baiknya, op-amp mempunyai rintangan dalaman yang tidak terhingga besar dan arus sifar pada inputnya, yang bermaksud bahawa voltan merentasi inputnya juga pada mulanya sifar.

Oleh itu, arus melalui perintang dalam pemancar hanya akan bergantung pada nilai voltan input dan akan sama dengan arus dalam keseluruhan gelung, sementara ia tidak akan bergantung pada rintangan beban. Oleh itu, voltan input penerima boleh ditentukan dengan mudah.

Litar op-amp mempunyai kelebihan untuk membolehkan anda menentukur pemancar tanpa perlu menyambungkan kabel penerima kepadanya, kerana ralat yang diperkenalkan oleh penerima dan kabel adalah sangat kecil.

Voltan keluaran dipilih berdasarkan keperluan transistor penghantaran untuk operasi normalnya dalam mod aktif, serta dengan syarat untuk mengimbangi penurunan voltan pada wayar, transistor itu sendiri dan perintang.

Katakan perintang ialah 500 ohm dan kabel ialah 100 ohm. Kemudian, untuk mendapatkan arus 20 mA, sumber voltan 22 V diperlukan. Voltan standard terdekat dipilih - 24 V. Kuasa berlebihan dari had voltan hanya akan dilesapkan pada transistor.

Ambil perhatian bahawa kedua-dua carta menunjukkan pengasingan galvanik antara peringkat pemancar dan input pemancar. Ini dilakukan untuk mengelakkan sebarang sambungan palsu antara pemancar dan penerima.

Sebagai contoh pemancar untuk membina gelung arus analog, kita boleh memetik produk siap NL-4AO dengan empat saluran keluaran analog untuk menyambungkan komputer dengan penggerak menggunakan 4 ... 20 mA atau 0 ... 20 mA » kitaran semasa « protokol.

Modul berkomunikasi dengan komputer melalui protokol RS-485. Peranti ditentukur semasa untuk mengimbangi ralat penukaran dan melaksanakan arahan yang dibekalkan oleh komputer. Pekali penentukuran disimpan dalam memori peranti. Data digital ditukar kepada analog menggunakan DAC.

Versi digital «kitaran semasa»

Gelung arus digital berfungsi, sebagai peraturan, dalam mod 0 ... 20 mA, kerana lebih mudah untuk menghasilkan semula isyarat digital dalam bentuk ini. Ketepatan tahap logik tidak begitu penting di sini, jadi sumber arus gelung boleh mempunyai rintangan dalaman yang tidak terlalu tinggi dan ketepatan yang agak rendah.

Dalam rajah di atas, dengan voltan bekalan 24 V, 0.8 V dijatuhkan pada input penerima, yang bermaksud bahawa dengan perintang 1.2 kΩ, arus akan menjadi 20 mA. Penurunan voltan dalam kabel, walaupun rintangannya ialah 10% daripada jumlah rintangan gelung, boleh diabaikan, begitu juga penurunan voltan merentasi optocoupler.Dalam amalan, dalam keadaan ini, pemancar boleh dianggap sebagai sumber semasa.