Как работи веригата с ток 4-20 mA

«Текущият контур» се използва като интерфейс за предаване на данни през 50 -те години. Отначало работният ток на интерфейса беше 60 mA, а по -късно, започвайки през 1962 г., интерфейсът на токовия контур от 20 mA стана широко разпространен в телетайпа.

През 80 -те години, когато започва широкото въвеждане на различни сензори, оборудване за автоматизация и задвижващи механизми в технологичното оборудване, интерфейсът „текуща верига“ стеснява обхвата на работните си токове — той започва да варира от 4 до 20 mA.

По-нататъшното разпространение на «текущия контур» започва да се забавя от 1983 г., с появата на стандарта за интерфейс RS-485, а днес «текущият контур» почти никога не се използва в ново оборудване като такова.

Предавателят на токов контур се различава от предавателя RS-485 по това, че използва източник на ток, а не източник на напрежение.

Токът, за разлика от напрежението, движещ се от източника по веригата, не променя стойността на тока си в зависимост от параметрите на натоварването. Ето защо «токовият контур» не е чувствителен нито към съпротивлението на кабела, нито към съпротивлението на натоварването, нито дори към ЕМП на индуктивен шум.

Освен това токът на контура не зависи от захранващото напрежение на самия източник на ток, а може да се промени само поради течове през кабела, които обикновено са незначителни. Тази характеристика на текущия цикъл напълно определя начините за неговото прилагане.

Трябва да се отбележи, че ЕМП на капацитивния пикап се прилага тук успоредно на източника на ток, а екранирането се използва за отслабване на неговото паразитно действие.

Поради тази причина линията за предаване на сигнал обикновено е екранирана усукана двойка, която, работеща заедно с диференциален приемник, сама отслабва общия режим и индуктивния шум.

На страната на приемане на сигнала, токът на токовия контур се преобразува в напрежение с помощта на калибриран резистор. И при ток от 20 mA се получава напрежение от стандартната серия 2.5 V; 5V; 10V; — достатъчно е само да се използва резистор със съпротивление съответно 125, 250 или 500 Ohm.

Първият и основен недостатък на интерфейса «текущ контур» е неговата ниска скорост, ограничена от скоростта на зареждане на капацитета на предавателния кабел от гореспоменатия източник на ток, разположен от предаващата страна.

Така че, когато се използва кабел с дължина 2 км, с линеен капацитет 75 pF / m, неговият капацитет ще бъде 150 nF, което означава, че са необходими 38 μs за зареждане на този капацитет до 5 волта при ток от 20 mA, което съответства до скорост на пренос на данни 4, 5 kbps.

По -долу е дадена графична зависимост на максималната налична скорост на предаване на данни през «токовия контур» от дължината на кабела, използван при различни нива на изкривяване (трептене) и при различни напрежения, оценката е извършена по същия начин, както за Интерфейс RS-485.

Друг недостатък на «токовия контур» е липсата на специфичен стандарт за проектиране на съединители и за електрическите параметри на кабелите, което също ограничава практическото приложение на този интерфейс. Честно казано, може да се отбележи, че всъщност общоприетите варират от 0 до 20 mA и от 4 до 20 mA. Обхватът 0 — 60 mA се използва много по -рядко.

Най -обещаващите разработки, които изискват използването на интерфейса «текущ цикъл», в по -голямата си част днес използват само интерфейс 4 … 20 mA, което дава възможност за лесно диагностициране на прекъсване на ред.Освен това „текущият контур“ може да бъде цифров или аналогов, в зависимост от изискванията на разработчика (повече за това по -късно).

Практически ниската скорост на предаване на данни от всякакъв тип «токов контур» (аналогов или цифров) позволява да се използва едновременно с няколко приемника, свързани последователно, и не се изисква съвпадение на дългите линии.

Аналогова версия на «текущия цикъл»

Аналоговият «токов контур» е намерил приложение в технологията, където е необходимо например да се предават сигнали от сензори към контролери или между контролери и изпълнителни механизми. Тук текущият цикъл осигурява няколко предимства.

На първо място, диапазонът на изменение на измерената стойност, когато бъде приведен в стандартния диапазон, ви позволява да променяте компонентите на системата. Забележителна е и възможността за предаване на сигнал с висока точност (не повече от + -0.05% грешка) на значително разстояние. И накрая, настоящият стандарт за цикъл се поддържа от повечето доставчици на индустриална автоматизация.

Токовият контур 4 … 20 mA има минимален ток от 4 mA като отправна точка на сигнала. По този начин, ако кабелът е счупен, токът ще бъде нула. Докато при използване на токов контур 0 … 20 mA, ще бъде по -трудно да се диагностицира прекъсване на кабела, тъй като 0 mA може просто да посочи минималната стойност на предавания сигнал. Друго предимство на обхвата 4 … 20 mA е, че дори при ниво от 4 mA е възможно безпроблемно да се захранва сензора.

По -долу има две диаграми на аналоговия ток. В първата версия захранването е вградено в предавателя, докато във втората версия захранването е външно.

Вграденото захранване е удобно по отношение на инсталацията, а външното ви позволява да променяте параметрите му в зависимост от предназначението и условията на работа на устройството, с което се използва токовия контур.

Принципът на работа на токовия контур е еднакъв и за двете вериги. В идеалния случай операционният усилвател има безкрайно голямо вътрешно съпротивление и нулев ток на входовете, което означава, че напрежението между неговите входове също първоначално е нула.

Така токът през резистора в предавателя ще зависи само от стойността на входното напрежение и ще бъде равен на тока в целия контур, докато няма да зависи от съпротивлението на натоварването. Следователно напрежението на входа на приемника може лесно да се определи.

Веригата с операционен усилвател има предимството, че ви позволява да калибрирате предавателя, без да е необходимо да свързвате кабел с приемник към него, тъй като грешката, въведена от приемника и кабела, е много малка.

Изходното напрежение се избира въз основа на нуждите на предавателния транзистор за нормалната му работа в активен режим, както и с условието за компенсиране на спада на напрежението върху проводниците, на самия транзистор и на резисторите.

Да речем, че резисторите са 500 ома, а кабелът е 100 ома. След това, за да се получи ток от 20 mA, е необходимо източник на напрежение 22 V. Избира се най -близкото стандартно напрежение — 24 V. Излишната мощност от границата на напрежението ще бъде просто разсеяна върху транзистора.

Имайте предвид, че и двете диаграми показват галванична изолация между предавателния етап и входа на предавателя. Това се прави, за да се избегне всяко фалшиво свързване между предавателя и приемника.

Като пример за предавател за изграждане на аналогов токов контур можем да цитираме завършен продукт NL-4AO с четири аналогови изходни канала за свързване на компютър с задвижващ механизъм, използващ 4 … 20 mA или 0 … 20 mA » текущ цикъл «протокол.

Модулът комуникира с компютъра чрез протокол RS-485. Устройството е калибрирано по ток, за да компенсира грешки при преобразуване и изпълнява команди, доставени от компютъра. Калибриращите коефициенти се съхраняват в паметта на устройството. Цифровите данни се преобразуват в аналогови с помощта на DAC.

Цифрова версия на «текущия цикъл»

Цифровият токов контур работи, като правило, в режим 0 … 20 mA, тъй като е по -лесно да се възпроизведе цифровият сигнал в тази форма. Точността на логическите нива не е толкова важна тук, така че източникът на ток на контура може да има не много високо вътрешно съпротивление и относително ниска точност.

В горната диаграма, при захранващо напрежение от 24 V, 0.8 V пада на входа на приемника, което означава, че при резистор от 1.2 kΩ токът ще бъде 20 mA. Спадът на напрежението в кабела, дори ако съпротивлението му е 10% от общото съпротивление на контура, може да бъде пренебрегнат, както и спадът на напрежението върху оптрона. На практика при тези условия предавателят може да се счита за източник на ток.