Ako funguje obvod 4-20 mA

„Prúdová slučka“ sa používala ako rozhranie na prenos údajov v 50. rokoch minulého storočia. Najprv bol prevádzkový prúd rozhrania 60 mA a neskôr, počnúc rokom 1962, sa v ďalekopise rozšírilo rozhranie prúdovej slučky 20 mA.

V osemdesiatych rokoch, keď sa do technologických zariadení začali vo veľkej miere zavádzať rôzne senzory, automatizačné zariadenia a akčné členy, rozhranie „prúdového obvodu“ zúžilo rozsah svojich prevádzkových prúdov — začalo sa meniť od 4 do 20 mA.

Ďalšie šírenie „prúdovej slučky“ sa začalo spomaľovať od roku 1983 s príchodom štandardu rozhrania RS-485 a dnes sa „prúdová slučka“ takmer nikdy nepoužíva v nových zariadeniach ako takých.

Vysielač prúdovej slučky sa líši od vysielača RS-485 v tom, že používa zdroj prúdu namiesto zdroja napätia.

Prúd, na rozdiel od napätia, ktorý sa pohybuje zo zdroja pozdĺž obvodu, nemení svoju aktuálnu hodnotu v závislosti od parametrov zaťaženia. Preto „prúdová slučka“ nie je citlivá ani na odpor kábla, odpor záťaže, ani na indukčný šum EMF.

Okrem toho prúd slučky nezávisí od napájacieho napätia samotného zdroja prúdu, ale môže sa meniť iba v dôsledku únikov cez kábel, ktoré sú zvyčajne nevýznamné. Táto charakteristika súčasného cyklu úplne určuje spôsoby jeho realizácie.

Je potrebné poznamenať, že EMF kapacitného snímača sa tu aplikuje paralelne so zdrojom prúdu a tienenie sa používa na oslabenie jeho parazitného účinku.

Z tohto dôvodu je prenosová linka signálu zvyčajne tienená krútená dvojlinka, ktorá v spolupráci s diferenciálnym prijímačom sama osebe tlmí spoločný režim a indukčný šum.

Na prijímacej strane signálu sa prúd slučky premieňa na napätie pomocou kalibrovaného odporu. A pri prúde 20 mA sa získa napätie štandardnej série 2,5 V; 5V; 10V; — stačí použiť len odpor s odporom 125, 250 alebo 500 ohmov.

Prvou a hlavnou nevýhodou rozhrania «prúdovej slučky» je jeho nízka rýchlosť, obmedzená rýchlosťou nabíjania kapacity prenosového kábla z vyššie uvedeného zdroja prúdu umiestneného na vysielacej strane.

Takže pri použití kábla s dĺžkou 2 km s lineárnou kapacitou 75 pF / m bude jeho kapacita 150 nF, čo znamená, že nabitie tejto kapacity na 5 voltov pri prúde 20 mA trvá 38 μs, čo zodpovedá s rýchlosťou prenosu dát 4,5 kbps.

Nižšie je uvedená grafická závislosť maximálnej dostupnej rýchlosti prenosu dát cez «prúdovú slučku» od dĺžky použitého kábla pri rôznych úrovniach skreslenia (jitter) a pri rôznych napätiach, vyhodnotenie sa uskutočnilo rovnakým spôsobom ako pri Rozhranie RS -485.

Ďalšou nevýhodou «prúdovej slučky» je absencia špecifického štandardu pre dizajn konektorov a pre elektrické parametre káblov, čo tiež obmedzuje praktické použitie tohto rozhrania. Spravodlivo možno poznamenať, že v skutočnosti sa všeobecne akceptované hodnoty pohybujú od 0 do 20 mA a od 4 do 20 mA. Rozsah 0 - 60 mA sa používa oveľa menej často.

Najsľubnejší vývoj, ktorý si vyžaduje použitie rozhrania „prúdovej slučky“, dnes väčšinou používa iba rozhranie 4 ... 20 mA, čo umožňuje ľahko diagnostikovať prerušenie vedenia. " môže byť digitálny alebo analógový, v závislosti od požiadaviek vývojára (viac o tom neskôr).

Prakticky nízka rýchlosť prenosu dát akéhokoľvek typu «prúdovej slučky» (analógovej alebo digitálnej) umožňuje jej súčasné použitie s niekoľkými prijímačmi zapojenými do série a nie je potrebné žiadne prispôsobenie dlhých liniek.

Analógová verzia «aktuálneho cyklu»

Analógová "prúdová slučka" našla uplatnenie v technológii, kde je potrebné napríklad prenášať signály zo snímačov do ovládačov alebo medzi ovládačmi a ovládačmi. Tu súčasný cyklus poskytuje niekoľko výhod.

V prvom rade rozsah variácie nameranej hodnoty, keď sa zníži na štandardný rozsah, umožňuje meniť komponenty systému. Pozoruhodná je aj schopnosť prenášať signál s vysokou presnosťou (nie viac ako + -0,05% chyba) na značnú vzdialenosť. Napokon, súčasný štandard cyklu podporuje väčšina predajcov priemyselnej automatizácie.

Prúdová slučka 4 … 20 mA má minimálny prúd 4 mA ako referenčný bod signálu.Ak je teda kábel prerušený, prúd bude nulový. Pri použití prúdovej slučky 0 … 20 mA bude ťažšie diagnostikovať prerušenie kábla, pretože 0 mA môže jednoducho indikovať minimálnu hodnotu prenášaného signálu. Ďalšou výhodou rozsahu 4 … 20 mA je, že už pri úrovni 4 mA je možné bez problémov napájať snímač.

Nižšie sú uvedené dva analógové diagramy prúdu. V prvej verzii je napájanie zabudované vo vysielači, zatiaľ čo v druhej verzii je napájanie externé.

Vstavaný napájací zdroj je pohodlný z hľadiska inštalácie a externý umožňuje meniť jeho parametre v závislosti od účelu a prevádzkových podmienok zariadenia, s ktorým sa prúdová slučka používa.

Princíp činnosti prúdovej slučky je rovnaký pre oba okruhy. V ideálnom prípade má operačný zosilňovač nekonečne veľký vnútorný odpor a nulový prúd na svojich vstupoch, čo znamená, že napätie na jeho vstupoch je tiež spočiatku nulové.

Prúd cez rezistor vo vysielači teda bude závisieť len od hodnoty vstupného napätia a bude sa rovnať prúdu v celej slučke, pričom nebude závisieť od odporu záťaže. Vstupné napätie prijímača sa preto dá ľahko určiť.

Obvod operačného zosilňovača má tú výhodu, že vám umožňuje kalibrovať vysielač bez toho, aby ste k nemu museli pripojiť kábel prijímača, pretože chyba spôsobená prijímačom a káblom je veľmi malá.

Výstupné napätie sa volí na základe potrieb prenosového tranzistora pre jeho normálnu prevádzku v aktívnom režime, ako aj s podmienkou kompenzácie úbytku napätia na vodičoch, samotnom tranzistore a rezistoroch.

Povedzme, že odpory sú 500 ohmov a kábel je 100 ohmov. Potom je na získanie prúdu 20 mA potrebný zdroj napätia 22 V. Zvolí sa najbližšie štandardné napätie — 24 V. Prebytočný výkon z limitu napätia sa jednoducho rozptýli na tranzistore.

Všimnite si, že oba grafy zobrazujú galvanická izolácia medzi stupňom vysielača a vstupom vysielača. Toto sa robí, aby sa predišlo akémukoľvek nesprávnemu spojeniu medzi vysielačom a prijímačom.

Ako príklad vysielača na vybudovanie analógovej prúdovej slučky môžeme uviesť hotový výrobok NL-4AO so štyrmi analógovými výstupnými kanálmi na prepojenie počítača s aktorom pomocou 4 ... 20 mA alebo 0 ... 20 mA » aktuálny cyklus « protokol.

Modul komunikuje s počítačom cez protokol RS-485. Zariadenie je aktuálne kalibrované, aby kompenzovalo chyby prevodu a vykonáva príkazy dodávané počítačom. Kalibračné koeficienty sú uložené v pamäti prístroja. Digitálne dáta sa konvertujú na analógové pomocou DAC.

Digitálna verzia «aktuálneho cyklu»

Digitálna prúdová slučka pracuje spravidla v režime 0 ... 20 mA, pretože je jednoduchšie reprodukovať digitálny signál v tejto forme. Presnosť logických úrovní tu nie je až taká dôležitá, takže zdroj slučkového prúdu môže mať nie veľmi vysoký vnútorný odpor a relatívne nízku presnosť.

Vo vyššie uvedenom diagrame pri napájacom napätí 24 V upadne na vstupe prijímača 0,8 V, čo znamená, že pri odpore 1,2 kΩ bude prúd 20 mA. Pokles napätia v kábli, aj keď je jeho odpor 10% celkového odporu slučky, môže byť zanedbaný, rovnako ako pokles napätia na optočlene.V praxi za týchto podmienok možno vysielač považovať za zdroj prúdu.