Jak działa obwód 4-20 mA

„Pętla prądowa” była używana jako interfejs transmisji danych w latach pięćdziesiątych XX wieku. Początkowo prąd roboczy interfejsu wynosił 60 mA, a później, począwszy od 1962 r., interfejs pętli prądowej 20 mA stał się powszechny w dalekopisie.

W latach 80., kiedy w urządzeniach technologicznych zaczęto powszechnie wprowadzać różne czujniki, urządzenia automatyki i elementy wykonawcze, interfejs „obwodu prądowego” zawęził zakres swoich prądów roboczych — zaczął się wahać od 4 do 20 mA.

Dalsze rozprzestrzenianie się „pętli prądowej” zaczęło zwalniać od 1983 roku, wraz z pojawieniem się standardu interfejsu RS-485, a dziś „pętla prądowa” jako taka prawie nigdy nie jest używana w nowym sprzęcie.

Nadajnik z pętlą prądową różni się od nadajnika RS-485 tym, że wykorzystuje źródło prądowe, a nie napięciowe.

Prąd, w przeciwieństwie do napięcia, przemieszczając się ze źródła wzdłuż obwodu, nie zmienia swojej wartości prądu w zależności od parametrów obciążenia. Dlatego „pętla prądowa” nie jest wrażliwa ani na rezystancję kabla, rezystancję obciążenia, ani nawet na szum indukcyjny EMF.

Ponadto prąd pętli nie zależy od napięcia zasilania samego źródła prądu, ale może się zmieniać jedynie z powodu upływu przez kabel, które zwykle są nieznaczne. Ta charakterystyka obecnego cyklu całkowicie determinuje sposoby jego realizacji.

Należy zaznaczyć, że EMF przetwornika pojemnościowego jest tu przykładany równolegle ze źródłem prądowym, a ekranowanie służy do osłabienia jego pasożytniczego efektu.

Z tego powodu linią przesyłu sygnału jest zwykle ekranowana skrętka, która współpracując z odbiornikiem różnicowym samodzielnie tłumi szumy wspólne i indukcyjne.

Po stronie odbiorczej sygnału prąd w pętli jest przetwarzany na napięcie za pomocą skalibrowanego rezystora. A przy prądzie 20 mA uzyskuje się napięcie standardowej serii 2,5 V; 5V; 10V; — wystarczy zastosować rezystor o rezystancji odpowiednio 125, 250 lub 500 omów.

Pierwszą i główną wadą interfejsu „pętli prądowej” jest jego mała prędkość, ograniczona szybkością ładowania pojemności kabla transmisyjnego z wyżej wymienionego źródła prądu znajdującego się po stronie nadawczej.

Tak więc przy użyciu kabla o długości 2 km, o pojemności liniowej 75 pF / m, jego pojemność wyniesie 150 nF, co oznacza, że ​​\u200b\u200bnaładowanie tej pojemności do 5 woltów przy prądzie 20 mA zajmuje 38 μs, co odpowiada do szybkości przesyłania danych 4,5 kb/s.

Poniżej przedstawiono graficzną zależność maksymalnej dostępnej szybkości transmisji danych przez „pętlę prądową” od długości użytego kabla przy różnych poziomach zniekształceń (jitter) i przy różnych napięciach, ocena została przeprowadzona analogicznie jak dla Interfejs RS-485.

Inną wadą „pętli prądowej” jest brak określonej normy dotyczącej konstrukcji złączy oraz parametrów elektrycznych kabli, co również ogranicza praktyczne zastosowanie tego interfejsu. Gwoli uczciwości można zauważyć, że w rzeczywistości ogólnie przyjęte mieszczą się w zakresie od 0 do 20 mA i od 4 do 20 mA. Znacznie rzadziej używany jest zakres 0 — 60 mA.

Najbardziej obiecujące rozwiązania, które wymagają użycia interfejsu „pętli prądowej”, obecnie w większości wykorzystują tylko interfejs 4 ... 20 mA, co umożliwia łatwe zdiagnozowanie przerwy w linii. Ponadto „pętla prądowa " może być cyfrowy lub analogowy, w zależności od wymagań dewelopera (więcej o tym później).

Praktycznie niska szybkość transmisji danych dowolnego typu „pętli prądowej” (analogowej lub cyfrowej) pozwala na jednoczesne korzystanie z kilku odbiorników połączonych szeregowo i nie jest wymagane dopasowywanie długich linii.

Analogowa wersja „bieżącego cyklu”

Analogowa „pętla prądowa” znalazła zastosowanie w technice, gdzie konieczne jest np. przesyłanie sygnałów z czujników do sterowników lub pomiędzy sterownikami a elementami wykonawczymi. W tym przypadku obecny cykl zapewnia kilka korzyści.

Przede wszystkim zakres zmienności wartości mierzonej, gdy zostanie zredukowany do zakresu standardowego, pozwala na wymianę elementów składowych układu. Niezwykła jest również możliwość przesyłania sygnału z dużą dokładnością (błąd nie większy niż + -0,05%) na znaczną odległość. Wreszcie, obecny standard cyklu jest obsługiwany przez większość dostawców automatyki przemysłowej.

Pętla prądowa 4 … 20 mA ma minimalny prąd 4 mA jako punkt odniesienia sygnału.Tak więc, jeśli kabel zostanie zerwany, prąd wyniesie zero. Podczas korzystania z pętli prądowej 0…20 mA trudniej będzie zdiagnozować przerwanie kabla, ponieważ 0 mA może po prostu wskazywać minimalną wartość przesyłanego sygnału. Kolejną zaletą zakresu 4…20 mA jest to, że już przy poziomie 4 mA możliwe jest bezproblemowe zasilenie czujnika.

Poniżej znajdują się dwa schematy prądów analogowych. W pierwszej wersji zasilacz jest wbudowany w nadajnik, natomiast w drugiej wersji zasilanie jest zewnętrzne.

Wbudowany zasilacz jest wygodny pod względem instalacji, a zewnętrzny pozwala na zmianę jego parametrów w zależności od przeznaczenia i warunków pracy urządzenia, z którym pętla prądowa jest wykorzystywana.

Zasada działania pętli prądowej jest taka sama dla obu obwodów. W idealnym przypadku wzmacniacz operacyjny ma nieskończenie dużą rezystancję wewnętrzną i zerowy prąd na swoich wejściach, co oznacza, że ​​napięcie na jego wejściach również początkowo wynosi zero.

Zatem prąd płynący przez rezystor w przetworniku będzie zależał tylko od wartości napięcia wejściowego i będzie równy prądowi w całej pętli, natomiast nie będzie zależał od rezystancji obciążenia. Dlatego napięcie wejściowe odbiornika można łatwo określić.

Obwód wzmacniacza operacyjnego ma tę zaletę, że umożliwia kalibrację nadajnika bez konieczności podłączania do niego kabla odbiornika, ponieważ błąd wprowadzany przez odbiornik i kabel jest bardzo mały.

Napięcie wyjściowe dobierane jest w oparciu o potrzeby tranzystora transmisyjnego do jego normalnej pracy w trybie aktywnym, a także z warunkiem kompensacji spadku napięcia na przewodach, samym tranzystorze i rezystorach.

Powiedzmy, że rezystory mają 500 omów, a kabel 100 omów. Następnie, aby uzyskać prąd 20 mA, wymagane jest źródło napięcia 22 V. Wybrano najbliższe standardowe napięcie - 24 V. Nadwyżka mocy z ograniczenia napięcia zostanie po prostu rozproszona na tranzystorze.

Zauważ, że oba wykresy pokazują izolacja galwaniczna między stopniem nadajnika a wejściem nadajnika. Ma to na celu uniknięcie fałszywego połączenia między nadajnikiem a odbiornikiem.

Jako przykład przetwornika do budowy analogowej pętli prądowej możemy przytoczyć gotowy produkt NL-4AO z czterema analogowymi kanałami wyjściowymi do połączenia komputera z aktuatorem za pomocą przewodu 4...20 mA lub 0...20 mA » aktualny cykl « protokół.

Moduł komunikuje się z komputerem za pomocą protokołu RS-485. Urządzenie jest kalibrowane na bieżąco w celu kompensacji błędów konwersji i wykonuje polecenia dostarczane przez komputer. Współczynniki kalibracji są zapisywane w pamięci urządzenia. Dane cyfrowe są konwertowane na analogowe za pomocą przetwornika cyfrowo-analogowego.

Cyfrowa wersja „aktualnego cyklu”

Cyfrowa pętla prądowa działa z reguły w trybie 0 ... 20 mA, ponieważ łatwiej jest odtworzyć sygnał cyfrowy w tej formie. Dokładność poziomów logicznych nie jest tutaj tak istotna, więc źródło prądowe pętli może mieć niezbyt dużą rezystancję wewnętrzną i stosunkowo małą dokładność.

Na powyższym schemacie, przy napięciu zasilania 24 V, na wejściu odbiornika spada 0,8 V, co oznacza, że ​​przy rezystorze 1,2 kΩ prąd wyniesie 20 mA. Spadek napięcia w kablu, nawet jeśli jego rezystancja wynosi 10% całkowitej rezystancji pętli, można pominąć, podobnie jak spadek napięcia na transoptorze.W praktyce w tych warunkach nadajnik można uznać za źródło prądowe.