Cum funcționează circuitul de 4-20 mA

„Bucla curentă” a fost folosită ca interfață de transmisie a datelor în anii 1950. La început, curentul de funcționare al interfeței a fost de 60 mA, iar mai târziu, începând cu 1962, interfața buclei de curent de 20 mA a devenit larg răspândită în teletip.

În anii 1980, când diverși senzori, echipamente de automatizare și actuatoare au început să fie introduși pe scară largă în echipamentele tehnologice, interfața „circuit de curent” a restrâns gama de curenți de funcționare - a început să varieze de la 4 la 20 mA.

Răspândirea în continuare a „buclei de curent” a început să încetinească din 1983, odată cu apariția standardului de interfață RS-485, iar astăzi „bucla de curent” nu este aproape niciodată utilizată în echipamentele noi ca atare.

Un transmițător în buclă de curent diferă de un transmițător RS-485 prin faptul că folosește o sursă de curent mai degrabă decât o sursă de tensiune.

Curentul, spre deosebire de tensiune, care se deplasează de la sursă de-a lungul circuitului, nu își modifică valoarea curentului în funcție de parametrii de sarcină. Prin urmare, „bucla de curent” nu este sensibilă nici la rezistența cablului, nici la rezistența la sarcină sau chiar la EMF de zgomot inductiv.

În plus, curentul buclei nu depinde de tensiunea de alimentare a sursei de curent în sine, ci se poate modifica doar din cauza scurgerilor prin cablu, care sunt de obicei nesemnificative. Această caracteristică a ciclului curent determină complet modalitățile de implementare a acestuia.

Trebuie remarcat faptul că EMF-ul pickup-ului capacitiv este aplicat aici în paralel cu sursa de curent, iar ecranarea este folosită pentru a slăbi efectul său parazit.

Din acest motiv, linia de transmisie a semnalului este de obicei o pereche răsucită ecranată, care, lucrând împreună cu un receptor diferenţial, atenuează singur modul comun şi zgomotul inductiv.

Pe partea de recepție a semnalului, curentul buclei este convertit în tensiune folosind un rezistor calibrat. Și la un curent de 20 mA se obține o tensiune din seria standard de 2,5 V; 5V; 10V; — este suficient să folosiți doar un rezistor cu o rezistență de 125, 250 sau respectiv 500 Ohm.

Primul și principalul dezavantaj al interfeței „bucla de curent” este viteza sa scăzută, limitată de viteza de încărcare a capacității cablului de transmisie de la sursa de curent menționată mai sus situată pe partea de transmisie.

Deci, atunci când utilizați un cablu de 2 km lungime, cu o capacitate liniară de 75 pF/m, capacitatea acestuia va fi de 150 nF, ceea ce înseamnă că este nevoie de 38 μs pentru a încărca această capacitate la 5 volți la un curent de 20 mA, ceea ce corespunde la o rată de transfer de date de 4,5 kbps.

Mai jos este o dependență grafică a ratei maxime de transmisie a datelor disponibile prin „bucla de curent” de lungimea cablului utilizat la diferite niveluri de distorsiune (jitter) și la diferite tensiuni, evaluarea a fost efectuată în același mod ca și pentru Interfață RS -485.

Un alt dezavantaj al „buclei de curent” este lipsa unui standard specific pentru proiectarea conectorilor și pentru parametrii electrici ai cablurilor, ceea ce limitează și aplicarea practică a acestei interfețe. În mod corect, se poate observa că, de fapt, cele general acceptate variază de la 0 la 20 mA și de la 4 la 20 mA. Intervalul 0 - 60 mA este folosit mult mai rar.

Cele mai promițătoare evoluții care necesită utilizarea interfeței „buclă de curent”, în cea mai mare parte astăzi folosesc doar interfața de 4 ... 20 mA, ceea ce face posibilă diagnosticarea cu ușurință a unei întreruperi de linie. În plus, „bucla de curent” " poate fi digitală sau analogică, în funcție de cerințele dezvoltatorului (mai multe despre asta mai târziu).

Rata de date practic scăzută a oricărui tip de „buclă de curent” (analogică sau digitală) îi permite să fie utilizat simultan cu mai multe receptoare conectate în serie și nu este necesară potrivirea liniilor lungi.

Versiunea analogică a „ciclului curent”

„Bucla de curent” analogică și-a găsit aplicație în tehnologie unde este necesar, de exemplu, să se transmită semnale de la senzori la controlere sau între controlere și actuatoare. Aici, ciclul actual oferă mai multe avantaje.

În primul rând, intervalul de variație a valorii măsurate, atunci când aceasta este redusă la intervalul standard, vă permite să schimbați componentele sistemului. Abilitatea de a transmite un semnal cu o precizie ridicată (nu mai mult de + -0,05% eroare) pe o distanță considerabilă este, de asemenea, remarcabilă. În cele din urmă, standardul actual al ciclului este susținut de majoritatea furnizorilor de automatizări industriale.

Bucla de curent de 4 … 20 mA are un curent minim de 4 mA ca punct de referință al semnalului.Astfel, dacă cablul este rupt, curentul va fi zero. În timp ce utilizați o buclă de curent de 0 … 20 mA, va fi mai dificil să diagnosticați o întrerupere a cablului, deoarece 0 mA poate indica pur și simplu valoarea minimă a semnalului transmis. Un alt avantaj al gamei de 4 … 20 mA este că chiar și la un nivel de 4 mA este posibilă alimentarea senzorului fără probleme.

Mai jos sunt două diagrame de curent analogic. În prima versiune, sursa de alimentare este încorporată în transmițător, în timp ce în a doua versiune, sursa de alimentare este externă.

Sursa de alimentare încorporată este convenabilă din punct de vedere al instalării, iar cea externă vă permite să îi schimbați parametrii în funcție de scopul și condițiile de funcționare ale dispozitivului cu care este utilizată bucla de curent.

Principiul de funcționare al buclei de curent este același pentru ambele circuite. În mod ideal, un amplificator operațional are o rezistență internă infinit de mare și un curent zero la intrările sale, ceea ce înseamnă că tensiunea pe intrările sale este, de asemenea, inițial zero.

Astfel, curentul prin rezistența din transmițător va depinde doar de valoarea tensiunii de intrare și va fi egal cu curentul din întreaga buclă, în timp ce nu va depinde de rezistența de sarcină. Prin urmare, tensiunea de intrare a receptorului poate fi determinată cu ușurință.

Circuitul op-amp are avantajul de a vă permite să calibrați transmițătorul fără a fi nevoie să conectați un cablu receptor la acesta, deoarece eroarea introdusă de receptor și cablu este foarte mică.

Tensiunea de ieșire este selectată în funcție de nevoile tranzistorului de transmisie pentru funcționarea sa normală în modul activ, precum și cu condiția de compensare a căderii de tensiune pe fire, tranzistorul în sine și rezistențele.

Să spunem că rezistențele sunt de 500 ohmi și cablul este de 100 ohmi. Apoi, pentru a obține un curent de 20 mA, este necesară o sursă de tensiune de 22 V. Se alege cea mai apropiată tensiune standard — 24 V. Puterea în exces de la limita de tensiune va fi pur și simplu disipată pe tranzistor.

Rețineți că ambele diagrame arată izolare galvanică între treapta emițătorului și intrarea emițătorului. Acest lucru se face pentru a evita orice conexiune falsă între emițător și receptor.

Ca exemplu de transmițător pentru construirea unei bucle de curent analogic, putem cita un produs finit NL-4AO cu patru canale de ieșire analogică pentru conectarea unui computer cu un actuator folosind 4 ... 20 mA sau 0 ... 20 mA » ciclul curent « protocol.

Modulul comunică cu computerul prin protocolul RS-485. Dispozitivul este calibrat curent pentru a compensa erorile de conversie și execută comenzile furnizate de computer. Coeficienții de calibrare sunt stocați în memoria dispozitivului. Datele digitale sunt convertite în analogice folosind un DAC.

Versiunea digitală a „ciclului curent”

Bucla de curent digitală funcționează, de regulă, în modul 0 ... 20 mA, deoarece este mai ușor să reproduci semnalul digital în această formă. Precizia nivelurilor logice nu este atât de importantă aici, astfel încât sursa de curent în buclă poate avea o rezistență internă nu foarte mare și o precizie relativ scăzută.

În diagrama de mai sus, cu o tensiune de alimentare de 24 V, se scade 0,8 V la intrarea receptorului, ceea ce înseamnă că cu un rezistor de 1,2 kΩ, curentul va fi de 20 mA. Căderea de tensiune în cablu, chiar dacă rezistența acestuia este de 10% din rezistența totală a buclei, poate fi neglijată, la fel ca și căderea de tensiune pe optocupler.În practică, în aceste condiții, emițătorul poate fi considerat o sursă de curent.