Kā darbojas 4-20 mA ķēde

"Strāvas cilpa" tika izmantota kā datu pārraides saskarne 1950. gados. Sākumā saskarnes darba strāva bija 60 mA, un vēlāk, sākot ar 1962. gadu, teletipā plaši izplatījās 20 mA strāvas cilpas interfeiss.

Astoņdesmitajos gados, kad tehnoloģiskajās iekārtās sāka plaši ieviest dažādus sensorus, automatizācijas iekārtas un izpildmehānismus, “strāvas ķēdes” interfeiss sašaurināja tā darbības strāvu diapazonu - tas sāka svārstīties no 4 līdz 20 mA.

"Strāvas cilpas" tālāka izplatība sāka palēnināties kopš 1983. gada, kad parādījās interfeisa standarts RS-485, un mūsdienās "strāvas cilpa" gandrīz nekad netiek izmantota jaunās iekārtās kā tāda.

Strāvas cilpas raidītājs atšķiras no RS-485 raidītāja ar to, ka izmanto strāvas avotu, nevis sprieguma avotu.

Strāva, atšķirībā no sprieguma, virzās no avota pa ķēdi, nemaina savu pašreizējo vērtību atkarībā no slodzes parametriem. Tāpēc "strāvas cilpa" nav jutīga ne pret kabeļa pretestību, ne pretestību slodzei, ne pat induktīvā trokšņa EMF.

Turklāt cilpas strāva nav atkarīga no paša strāvas avota barošanas sprieguma, bet var mainīties tikai noplūžu dēļ caur kabeli, kas parasti ir nenozīmīgas. Šī pašreizējā cikla īpašība pilnībā nosaka tā īstenošanas veidus.

Jāatzīmē, ka kapacitatīvā uztvērēja EMF šeit tiek pielietots paralēli strāvas avotam, un ekranējums tiek izmantots, lai vājinātu tā parazītisko efektu.

Šī iemesla dēļ signāla pārraides līnija parasti ir ekranēts vītā pāra, kas, strādājot kopā ar diferenciālo uztvērēju, viens pats vājina kopējo režīmu un induktīvo troksni.

Signāla uztveršanas pusē cilpas strāva tiek pārveidota par spriegumu, izmantojot kalibrētu rezistoru. Un pie strāvas 20 mA tiek iegūts standarta sērijas spriegums 2,5 V; 5V; 10V; — pietiek tikai ar rezistoru ar pretestību attiecīgi 125, 250 vai 500 omi.

Pirmais un galvenais "strāvas cilpas" saskarnes trūkums ir tā mazais ātrums, ko ierobežo pārraides kabeļa jaudas uzlādes ātrums no iepriekš minētā strāvas avota, kas atrodas raidīšanas pusē.

Tātad, izmantojot 2 km garu kabeli ar lineāro kapacitāti 75 pF / m, tā kapacitāte būs 150 nF, kas nozīmē, ka ir nepieciešams 38 μs, lai uzlādētu šo kapacitāti līdz 5 voltiem ar strāvu 20 mA, kas atbilst ar datu pārraides ātrumu 4,5 kbps.

Zemāk ir grafiska maksimālā pieejamā datu pārraides ātruma, izmantojot "strāvas cilpu", atkarība no kabeļa garuma, ko izmanto dažādos traucējumu līmeņos (trīces) un dažādos spriegumos, novērtējums tika veikts tāpat kā RS interfeiss -485.

Vēl viens «strāvas cilpas» trūkums ir specifiska standarta trūkums savienotāju konstrukcijai un kabeļu elektriskajiem parametriem, kas arī ierobežo šīs saskarnes praktisko pielietojumu. Godīgi sakot, var atzīmēt, ka patiesībā vispārpieņemtie svārstās no 0 līdz 20 mA un no 4 līdz 20 mA. Diapazons no 0 līdz 60 mA tiek izmantots daudz retāk.

Daudzsološākās izstrādes, kurās nepieciešams izmantot "strāvas cilpas" saskarni, mūsdienās lielākoties izmanto tikai 4 ... 20 mA saskarni, kas ļauj viegli diagnosticēt līnijas pārtraukumu. Turklāt "strāvas cilpa" " var būt digitāls vai analogs, atkarībā no izstrādātāja prasībām (vairāk par to vēlāk).

Jebkura veida «strāvas cilpas» (analogā vai digitālā) praktiski zemais datu pārraides ātrums ļauj to izmantot vienlaikus ar vairākiem virknē savienotiem uztvērējiem, un nav nepieciešama garu līniju saskaņošana.

"Pašreizējā cikla" analogā versija

Analogā "strāvas cilpa" ir atradusi pielietojumu tehnoloģijās, kur ir nepieciešams, piemēram, pārraidīt signālus no sensoriem uz kontrolieriem vai starp kontrolieriem un izpildmehānismiem. Šeit pašreizējais cikls sniedz vairākas priekšrocības.

Pirmkārt, izmērītās vērtības variācijas diapazons, kad tas tiek samazināts līdz standarta diapazonam, ļauj mainīt sistēmas sastāvdaļas. Ievērojama ir arī iespēja pārraidīt signālu ar augstu precizitāti (ne vairāk kā + -0,05% kļūdu) ievērojamā attālumā. Visbeidzot, pašreizējo cikla standartu atbalsta lielākā daļa rūpnieciskās automatizācijas pārdevēju.

4…20 mA strāvas cilpai ir minimālā strāva 4 mA kā signāla atskaites punkts.Tādējādi, ja kabelis ir salauzts, strāva būs nulle. Izmantojot 0…20 mA strāvas cilpu, būs grūtāk diagnosticēt kabeļa pārrāvumu, jo 0 mA var vienkārši norādīt pārraidītā signāla minimālo vērtību. Vēl viena 4…20 mA diapazona priekšrocība ir tā, ka pat pie 4 mA līmeņa sensoru ir iespējams bez problēmām darbināt.

Zemāk ir divas analogās strāvas diagrammas. Pirmajā versijā barošanas avots ir iebūvēts raidītājā, savukārt otrajā versijā barošanas avots ir ārējs.

Iebūvētais barošanas avots ir ērts uzstādīšanas ziņā, un ārējais ļauj mainīt tā parametrus atkarībā no ierīces, ar kuru tiek izmantota strāvas cilpa, mērķa un darbības apstākļiem.

Strāvas cilpas darbības princips abām shēmām ir vienāds. Ideālā gadījumā op-amp ir bezgalīgi liela iekšējā pretestība un nulles strāva pie ieejām, kas nozīmē, ka arī spriegums tā ieejās sākotnēji ir nulle.

Tādējādi strāva caur rezistoru raidītājā būs atkarīga tikai no ieejas sprieguma vērtības un būs vienāda ar strāvu visā cilpā, savukārt tā nebūs atkarīga no slodzes pretestības. Tāpēc uztvērēja ieejas spriegumu var viegli noteikt.

Op-amp ķēdes priekšrocība ir tā, ka jūs varat kalibrēt raidītāju, nepievienojot tam uztvērēja kabeli, jo uztvērēja un kabeļa radītā kļūda ir ļoti maza.

Izejas spriegums tiek izvēlēts, pamatojoties uz pārraides tranzistora vajadzībām tā normālai darbībai aktīvā režīmā, kā arī ar nosacījumu, lai kompensētu sprieguma kritumu uz vadiem, paša tranzistora un rezistoriem.

Pieņemsim, ka rezistori ir 500 omi un kabelis ir 100 omi. Tad, lai iegūtu strāvu 20 mA, nepieciešams sprieguma avots 22 V. Tiek izvēlēts tuvākais standarta spriegums — 24 V. Pārpalikuma jauda no sprieguma robežas vienkārši tiks izkliedēta uz tranzistoru.

Ņemiet vērā, ka abas diagrammas parāda galvaniskā izolācija starp raidītāja stadiju un raidītāja ieeju. Tas tiek darīts, lai izvairītos no viltus savienojuma starp raidītāju un uztvērēju.

Kā piemēru raidītājam analogās strāvas cilpas izveidošanai mēs varam minēt gatavo produktu NL-4AO ar četriem analogās izejas kanāliem datora savienošanai ar izpildmehānismu, izmantojot 4 ... 20 mA vai 0 ... 20 mA » pašreizējā cikla « protokols.

Modulis sazinās ar datoru, izmantojot RS-485 protokolu. Ierīce ir pašreiz kalibrēta, lai kompensētu konvertēšanas kļūdas, un tā izpilda datora sniegtās komandas. Kalibrēšanas koeficienti tiek saglabāti ierīces atmiņā. Digitālie dati tiek pārveidoti par analogiem, izmantojot DAC.

"Pašreizējā cikla" digitālā versija

Digitālā strāvas cilpa parasti darbojas 0 ... 20 mA režīmā, jo ir vieglāk reproducēt digitālo signālu šādā formā. Loģisko līmeņu precizitāte šeit nav tik svarīga, tāpēc cilpas strāvas avotam var būt ne pārāk augsta iekšējā pretestība un salīdzinoši zema precizitāte.

Iepriekš redzamajā diagrammā ar barošanas spriegumu 24 V uztvērēja ieejā tiek nomests 0,8 V, kas nozīmē, ka ar rezistoru 1,2 kΩ strāva būs 20 mA. Sprieguma kritumu kabelī, pat ja tā pretestība ir 10% no kopējās cilpas pretestības, var neņemt vērā, tāpat kā sprieguma kritumu optrona savienotājā.Praksē šādos apstākļos raidītāju var uzskatīt par strāvas avotu.