Jak funguje obvod 4-20 mA

„Proudová smyčka“ byla používána jako rozhraní pro přenos dat v 50. letech minulého století. Nejprve byl provozní proud rozhraní 60 mA a později, počínaje rokem 1962, se v dálnopisu rozšířilo rozhraní proudové smyčky 20 mA.

V 80. letech 20. století, kdy se v technologických zařízeních začaly široce zavádět různé senzory, automatizační zařízení a akční členy, zúžilo rozhraní „proudového obvodu“ rozsah provozních proudů — začal se měnit od 4 do 20 mA.

Další šíření «proudové smyčky» se začalo zpomalovat od roku 1983 s příchodem standardu rozhraní RS-485 a dnes se «proudová smyčka» téměř nikdy nepoužívá v nových zařízeních jako taková.

Vysílač proudové smyčky se liší od vysílače RS-485 v tom, že používá zdroj proudu spíše než zdroj napětí.

Proud, na rozdíl od napětí, pohybující se od zdroje po obvodu, nemění svou aktuální hodnotu v závislosti na parametrech zátěže. Proto „proudová smyčka“ není citlivá ani na odpor kabelu, odpor zátěže, ani na indukční šum EMF.

Proud smyčky navíc nezávisí na napájecím napětí samotného zdroje proudu, ale může se měnit pouze v důsledku úniků přes kabel, které jsou obvykle nevýznamné. Tato charakteristika aktuálního cyklu zcela určuje způsoby jeho realizace.

Je třeba poznamenat, že EMF kapacitního snímače je zde aplikováno paralelně se zdrojem proudu a stínění slouží k oslabení jeho parazitního účinku.

Z tohoto důvodu je vedení pro přenos signálu obvykle tvořeno stíněnou kroucenou dvojlinkou, která ve spolupráci s diferenciálním přijímačem sama o sobě tlumí společný režim a indukční šum.

Na přijímací straně signálu se proud smyčky převádí na napětí pomocí kalibrovaného odporu. A při proudu 20 mA se získá napětí standardní série 2,5 V; 5V; 10V; — stačí použít pouze odpor s odporem 125, 250 nebo 500 ohmů.

První a hlavní nevýhodou rozhraní «proudové smyčky» je jeho nízká rychlost, omezená rychlostí nabíjení kapacity přenosového kabelu z výše uvedeného zdroje proudu umístěného na vysílací straně.

Takže při použití kabelu o délce 2 km s lineární kapacitou 75 pF / m bude jeho kapacita 150 nF, což znamená, že nabití této kapacity na 5 voltů při proudu 20 mA trvá 38 μs, což odpovídá s rychlostí přenosu dat 4,5 kbps.

Níže je grafická závislost maximální dostupné rychlosti přenosu dat přes «proudovou smyčku» na délce použitého kabelu při různých úrovních zkreslení (jitter) a při různých napětích, vyhodnocení bylo provedeno stejným způsobem jako u Rozhraní RS -485.

Další nevýhodou «proudové smyčky» je absence specifické normy pro konstrukci konektorů a pro elektrické parametry kabelů, což také omezuje praktické použití tohoto rozhraní. Pro spravedlnost lze poznamenat, že ve skutečnosti se obecně přijímané hodnoty pohybují od 0 do 20 mA a od 4 do 20 mA. Rozsah 0 – 60 mA se používá mnohem méně často.

Nejslibnější vývoj, který vyžaduje použití rozhraní „proudové smyčky“, dnes většinou používá pouze rozhraní 4 ... 20 mA, což umožňuje snadno diagnostikovat přerušení vedení. " může být digitální nebo analogový, v závislosti na požadavcích vývojáře (o tom později).

Prakticky nízká přenosová rychlost jakéhokoli typu «proudové smyčky» (analogové nebo digitální) umožňuje její současné použití s ​​několika přijímači zapojenými do série a není potřeba žádné přizpůsobení dlouhých linek.

Analogová verze «aktuálního cyklu»

Analogová „proudová smyčka“ našla uplatnění v technologii, kde je třeba například přenášet signály ze senzorů do regulátorů nebo mezi regulátory a akčními členy. Zde poskytuje současný cyklus několik výhod.

Za prvé, rozsah variace měřené hodnoty, když je snížen na standardní rozsah, umožňuje měnit komponenty systému. Pozoruhodná je také schopnost přenášet signál s vysokou přesností (ne více než + -0,05 % chyba) na značnou vzdálenost. A konečně, současný standard cyklu je podporován většinou prodejců průmyslové automatizace.

Proudová smyčka 4 … 20 mA má minimální proud 4 mA jako referenční bod signálu.Pokud je tedy kabel přerušen, proud bude nulový. Při použití proudové smyčky 0 … 20 mA bude obtížnější diagnostikovat přerušení kabelu, protože 0 mA může jednoduše indikovat minimální hodnotu přenášeného signálu. Další výhodou rozsahu 4 … 20 mA je, že i při hladině 4 mA je možné senzor bez problémů napájet.

Níže jsou uvedeny dva analogové proudové diagramy. V první verzi je zdroj zabudován ve vysílači, zatímco ve druhé verzi je napájení externí.

Vestavěný zdroj je pohodlný z hlediska instalace a externí umožňuje měnit jeho parametry v závislosti na účelu a provozních podmínkách zařízení, se kterým se proudová smyčka používá.

Princip činnosti proudové smyčky je pro oba obvody stejný. V ideálním případě má operační zesilovač nekonečně velký vnitřní odpor a nulový proud na svých vstupech, což znamená, že napětí na jeho vstupech je také zpočátku nulové.

Proud rezistorem ve vysílači tedy bude záviset pouze na hodnotě vstupního napětí a bude se rovnat proudu v celé smyčce, přičemž nebude záviset na odporu zátěže. Vstupní napětí přijímače lze tedy snadno určit.

Obvod operačního zesilovače má tu výhodu, že vám umožňuje kalibrovat vysílač, aniž byste k němu museli připojovat kabel přijímače, protože chyba způsobená přijímačem a kabelem je velmi malá.

Výstupní napětí se volí na základě potřeb přenosového tranzistoru pro jeho normální provoz v aktivním režimu a také s podmínkou pro kompenzaci úbytku napětí na vodičích, samotném tranzistoru a rezistorech.

Řekněme, že odpory jsou 500 ohmů a kabel 100 ohmů. Potom je pro získání proudu 20 mA zapotřebí zdroj napětí 22 V. Zvolí se nejbližší standardní napětí — 24 V. Přebytečný výkon z napěťového limitu se jednoduše rozptýlí na tranzistoru.

Všimněte si, že oba grafy ukazují galvanická izolace mezi stupněm vysílače a vstupem vysílače. To se provádí, aby se zabránilo jakémukoli falešnému spojení mezi vysílačem a přijímačem.

Jako příklad vysílače pro vybudování analogové proudové smyčky můžeme uvést hotový výrobek NL-4AO se čtyřmi analogovými výstupními kanály pro připojení počítače s akčním členem pomocí 4 ... 20 mA nebo 0 ... 20 mA » aktuální cyklus « protokol.

Modul komunikuje s počítačem protokolem RS-485. Zařízení je aktuálně kalibrováno, aby kompenzovalo chyby převodu a provádí příkazy dodávané počítačem. Kalibrační koeficienty jsou uloženy v paměti přístroje. Digitální data jsou převedena na analogová pomocí DAC.

Digitální verze «aktuálního cyklu»

Digitální proudová smyčka pracuje zpravidla v režimu 0 ... 20 mA, protože je jednodušší reprodukovat digitální signál v této formě. Přesnost logických úrovní zde není tak důležitá, takže smyčkový proudový zdroj může mít nepříliš vysoký vnitřní odpor a relativně nízkou přesnost.

Ve výše uvedeném schématu při napájecím napětí 24 V odpadne na vstupu přijímače 0,8 V, což znamená, že s rezistorem 1,2 kΩ bude proud 20 mA. Pokles napětí v kabelu, i když je jeho odpor 10 % celkového odporu smyčky, lze zanedbat, stejně jako pokles napětí na optočlenu.V praxi lze za těchto podmínek vysílač považovat za zdroj proudu.